NMR-spektroskopische Untersuchungen von

NMR-spektroskopische Untersuchungen
von ultrakleinen Gold-Nanoclustern
und Gold-Thiol-Gemischen
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
„Doctor rerum naturalium“
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt von
Benjamin Schütze
aus Ballenstedt am Harz
Fakultät für Chemie
Universität Duisburg-Essen
2016
Diese vorliegende Dissertation wurde am Institut für Anorganische Chemie im Arbeitskreis von Prof. Dr. Matthias Epple an der Universität Duisburg-Essen im Zeitraum vom
01.01.2013 - 30.09.2016 angefertigt.
Gutachter:
Prof. Dr. Matthias Epple
Prof. Dr. Christian Mayer
Vorsitzender:
Prof. Dr. Eckhard Spohr
Tag der Disputation:
21.12.2016
Diese Arbeit widme ich meiner Familie und meinen Freunden.
„Freilich,
zu Papier gebrachte Gedanken sind überhaupt nichts weiter
als die Spur eines Fußgängers im Sande;
man sieht wohl den Weg, welchen er genommen hat;
aber um zu wissen, was er gesehen,
muß man seine eigenen Augen gebrauchen“
Wolfgang Ostwald[1]
„Junge, denke daran,
was Du einmal im Kopf hast,
kann dir keiner mehr nehmen“
Mein Großvater
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Ziel dieser Arbeit
3
3 Theoretischer Hintergrund
3.1 Kolloide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
3.2 Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.3 Stabilität von Kolloiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4 Verwendete Methoden
23
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 Allgemeiner theoretischer Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.2 Gepulste Feldgradienten und stimulierte Echos . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Atomabsorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Massenspektrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Infrarot-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 UV/vis-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6 Fluoreszenzspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7 Differentielle Zentrifugalsedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.8 Dynamische Lichtstreuung und Zetapotential . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.9 Transmissionselektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Experimenteller Teil
53
5.1 Verwendete Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Synthesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 Darstellung ultrakleiner Gold-Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2 Synthese von 13C-angereicherter Mercaptoethansäure . . . . . . . . 55
6 Ergebnisse und Diskussion
57
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.1.1 Gold-Nanopartikel mit Mercaptoethansäure . . . . . . . . . . . . . 59
6.1.2
6.1.3
6.1.4
Gold-Nanopartikel mit 3-Mercaptopropansäure . . . . . . . . . . . . 74
Gold-Nanopartikel mit 6-Mercaptohexansäure . . . . . . . . . . . . 83
Gold-Nanopartikel mit ortho-Mercaptobenzoesäure . . . . . . . . . 92
6.1.5
6.1.6
6.1.7
Gold-Nanopartikel mit meta-Mercaptobenzoesäure . . . . . . . . . 98
Gold-Nanopartikel mit para-Mercaptobenzoesäure . . . . . . . . . . 103
Gold-Nanopartikel mit para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure . . . . . 109
6.1.8
Gold-Nanopartikel mit CG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
II
6.1.9 Gold-Nanopartikel mit CGGRGD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.10 Weitere NMR-Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.11 Zusammenfassung der für Nanopartikel erhaltenen Ergebnisse . . . 127
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen . . . . . . . . . . 129
6.2.1 1H-NMR-Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
35
6.2.2
6.2.3
Cl-NMR-Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
DCS-Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2.4
Zusammenfassung der Ergebnisse für Gold-Thiolat-Gemische . . . . 144
7 Zusammenfassung und Ausblick
145
8 Summary
149
9 Literaturverzeichnis
151
10 Anhang
163
10.1 Ergänzende Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.2 Eidesstattliche Erklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.3 Lebenslauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.4 Publikationsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4.1 Publikationen in wissenschaftlich referierten Fachzeitschriften . . . 170
10.4.2 Wissenschaftliche Posterbeiträge auf Fachtagungen . . . . . . . . . 170
10.5 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
III
Abkürzungsverzeichnis
AAS
Atomabsorptionsspektroskopie
DCS
Differentielle Zentrifugalsedimentation
(engl.: differential centrifugal sedimentation)
DLS Dynamische Lichtstreuung
DOSY Diffusionsgewichtete Spektroskopie
(engl.: diffusion-ordered spectroscopy)
HOMO
Höchstes besetztes Molekülorbital
(engl.: Highest occupied molecule orbital)
IUPAC
International Union of Pure and Applied Chemistry
LUMO
Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital
(engl.: Lowest unoccupied molecule orbital)
m-MBS meta-Mercaptobenzoesäure
o-MBS
ortho-Mercaptobenzoesäure
p-MBS para-Mercaptobenzoesäure
MES
Mercaptoethansäure
MHS
6-Mercaptohexansäure
p-MMBS
para-(Mercaptomethyl)benzoesäure
MPS
3-Mercaptopropansäure
MUS
11-Mercaptoundekansäure
nm
Nanometer (10−9 m)
IV
NMR
Kernmagnetresonanzspektroskopie
(engl.: nuclear magnetic resonance)
p.a.
analysenrein
(lat.: pro analysi)
PDI
Polydispersitätsindex
PFG gepulster Feldgradient
(engl.: pulsed field gradient)
STE
TEM
Stimuliertes Echo
Transmissionselektronenmikroskopie
UV
Ultraviolett
vis
sichtbar(er Wellenlängenbereich)
(engl.: visible)
1
1 Einleitung
Nanopartikel oder Nanomaterialien besitzen für viele Forscher ein sehr großes Potential
für die Entwicklung neuer Technologien und Anwendungen. Daher kommt es, dass es in
den vergangenen Jahrzehnten ein starkes Wachstum in diesem Forschungsbereich gab,
was sich in der Zahl der veröffentlichten Publikationen widerspiegelt. Eine Suche bei SciFinder verdeutlicht dies mit folgenden Zahlen: Gab es in den 1990er Jahren insgesamt
gerade einmal etwas mehr als 260 Publikationen zum Thema „nanoparticle“, stieg die
Zahl am Ende der 2000er Jahre auf knapp 1500 pro Jahr an. Dieser Trend setzt sich fort,
so dass im letzten Jahr bereits eine Anzahl von ca. 2500 Publikationen erreicht wurde.
Zahl der Publikationen
2500
2000
1500
1000
500
2016
2014
2012
2010
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
0
Jahr
Abb. 1.1: Anzahl der Publikationen zu „nanoparticle“ zwischen 1990 und 2016 nach
Angaben von Sci-Finder (Stand 09.08.16).
Aber Nanotechnologie ist auch heute schon in einer Vielzahl von Produkten vorhanden.
Als erstes großes Gebiet sei hierbei auf die Kosmetik-Industrie zu verweisen. So befinden
sich beispielsweise in Sonnencremes Titandioxid- oder Zinkoxid-Nanopartikel, da diese das
UV-Licht absorbieren und somit die Haut schützen.[2] In manchen Deodorants befinden
sich seit einiger Zeit Silber-Nanopartikel, die durch ihre antibakterielle Wirkung unangenehmen Gerüchen vorbeugen sollen. Neben Silber-Nanopartikeln werden auch funktionalisierte Titan-Nanokomposite sowie Zinkoxid-, Kupfer- und Galliumoxid-Nanopartikel
eingesetzt, um beispielsweise Funktionswäsche zu produzieren.[3,4] Des Weiteren befinden
sich Silber-Nanopartikel sehr verbreitet auf medizinischen Implantaten und Operationsbesteck, um Infektionen und Entzündungen vorzubeugen.[4–7] In der Technik findet man Nanopartikel bzw. Nanomaterialien in elektronischen und technischen Bauteile. Diese können
mit ultradünnen Beschichtungen versehen sein oder nanostrukturierte Oberflächen aufweisen. Verwendet werden sie dann in der Automobil-Industrie, Luftfahrt-, Informationsund Kommunikationstechnik.[8] Als konkrete Beispiele sei hier zum einen die Fertigungstechnik von Prozessoren genannt, die in den letzten Jahren von 250 nm (1998) auf 22 nm
(2012) verringert wurde. Durch die immer kleinere Verarbeitung werden immer schnellere
2
1 Einleitung
Prozessoren möglich, die aber wegen Quanteneffekten langsam an ihre Grenzen stoßen.
Außerdem arbeiten australische Forscher an Speichermedien, die bei der Größe einer handelsüblichen CD bzw. DVD eine Speicherkapazität von 1,6 – 7,2 TB aufweisen könnten.[9]
Auch in der Halbleitertechnik wird daran geforscht, bewährte Materialien durch Nanostrukturen zu verbessern oder durch neue Nanomaterialien zu ersetzen. Dadurch erhofft
man sich, noch leistungsfähigere Prozessoren, Chipsätze und Datenleitungen entwickeln
zu können. Im Fokus der Forschung stehen dafür unter anderem Kohlenstoffnanoröhrchen
und photonische Kristalle.[10,11]
Eine Reihe weiterer potentieller Anwendungsgebiete für Nanopartikel existieren in der
Medizin. Beispielsweise werden Nanopartikel heutzutage bereits regelmäßig in der Diagnostik verwendet.[12–14] Aufgrund ihrer sehr guten Biokompatibilität werden EisenoxidNanopartikel (Magnetit Fe3 O4 oder Maghemit γ-Fe2 O3 ) als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt.[15] Außerdem werden funktionalisierte oder fluoreszierende Nanopartikel für die Detektion und Markierung von Proteinen oder zur Fluoreszenzmarkierung von Zellen oder Zellbestandteilen verwendet.[16,17] Seit ein paar Jahren
verwendet man für Aufnahmestudien und zur Bildgebung in Zellen neben Quantenpunkten auch vermehrt ultrakleine autofluoreszierende Gold- oder Silber-Nanopartikel.[18–20]
Die Anwendungen von Nanopartikeln als therapeutische Mittel, z.B. zum gezielten Ansteuern bestimmter Zelltypen oder Organe in der Gen- oder Tumortherapie bzw. als Wirkstoffträger, sind noch nicht zugelassen, da die Risiken einer in vivo-Nutzung nur schwer
abschätzbar sind.[13,21–27]
Magnetische Nanopartikel aus γ-Fe2 O3 werden ebenfalls erforscht, um im Straßenbau
eingesetzt zu werden. Dabei sollen sie in das für den Belag verwendete Bitumen eingearbeitet werden. Legt man nun ein Magnetfeld an eine solchen Belag an, erhitzt sich das
System und Mikrorisse können sich selbstständig schließen.[28] Dieses Verfahren ist analog
zur Thermotherapie gegen Krebs im menschlichen Körper, bei dem Krebszellen durch
magnetische Partikel und Anlegen eines Magnetfeldes thermisch zerstört werden.[29,30]
Auch wenn die Nanotechnologie einige bedeutende Fortschritte und vielversprechende
Ansätze zeigt, dürfen potentielle Risiken nicht vergessen werden. So sind zum Beispiel
Studien über die Exposition von Organismen mit Nanopartikeln oft unzureichend oder
nicht vorhanden.[12,31–33] Deswegen ist die Untersuchung eines neuen Partikelsystems besonders wichtig. Dies bedeutet, dass neue Partikel einer ausgiebigen Charakterisierung
unterliegen und besonders eine zellbiologische Untersuchung mit Blick auf ihre Toxizität
angefertigt werden sollte.
3
2 Ziel dieser Arbeit
Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Darstellung ultrakleiner Gold-Nanopartikel
über eine nasschemische Synthese-Route. In Anlehnung an frühere Arbeiten aus diesem
Arbeitskreis soll dies über die Reduktion von Tetrachloridogoldsäure (HAuCl4 ) mit Natriumborhydrid (NaBH4 ) im wässrigen Medium geschehen. Als stabilisierende Liganden
sollen verschiedene aliphatische und aromatische Thiole sowie kleine Peptide während
der Reduktion anwesend sein. Die Charakterisierung der Partikel (Größe, Größenverteilung) ist dabei ein ebenso wichtiger Punkt wie die Untersuchung der organischen Hülle.
Zu diesem Zweck sollen verschiedene NMR-spektroskopische Methoden ( 1H-NMR, 1H, 1HCOSY, 13C-NMR u.a.) angewendet werden. NMR-spektroskopische Untersuchungen von
Gold-Nanopartikeln werden nur sehr begrenzt durchgeführt. Dies ist der Koordination
der Liganden an den Nanopartikel geschuldet, wodurch die Signale sehr breit werden und
sich kaum Informationen gewinnen lassen. Bisherige Ergebnisse beschränken sich in der
Regel genau darauf, dass es zur Verbreiterung der Signale kommt und diese teilweise eine
höhere chemische Verschiebung aufweisen. Mögliche Ursachen für diese Phänomene sollen
im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden. Zusätzlich soll mit Hilfe von Diffusionsexperimenten ( 1H-DOSY) im NMR die Größe der Partikel bestimmt werden und mit anderen
gängigen Methoden (Dynamische Lichtstreuung, Differentielle Zentrifugalsedimentation,
HR-TEM) verglichen werden. Die diffusionsgewichtete Magnetresonanzspektroskopie ist
eine elegante Methode zur Untersuchung der Diffusion von Molekülen in flüssigen Medien. Mathematisch lässt sich aus dem Diffusionskoeffizienten dann die Größe der Partikel
bestimmen.
Des Weiteren ist es von Interesse, während der Synthese die Reaktion der Tetrachloridogoldsäure mit dem jeweiligen Thiol zu untersuchen. Schon vor der eigentlichen Reduktion
kommt es zu einer Reaktion, was durch einen Farbumschlag bzw. eine Entfärbung zu
beobachten ist. Daher soll untersucht werden, wie das Gold in der Lösung vorliegt. Auch
hierfür bieten sich verschiedene NMR-spektroskopische Methoden an.
5
3 Theoretischer Hintergrund
3.1 Kolloide
Der Begriff Kolloid entstammt dem griechischen Wort „κoλλα“, was so viel wie „Leim“
bedeutet.[34] In kolloidalen oder kolloiddispersen Systemen liegen fein verteilte Moleküle
oder (Nano-)Partikel in einem kontinuierlichen Medium vor. Dadurch liegen diese Systeme bei Betrachtung der physikalisch-chemischen Eigenschaften zwischen der molekularen
Dimension echter Lösungen und der makroskopischen Dimension heterogener Mischungen. Erste Erkenntnisse über kolloidale Systeme wurden bereits 1845 von Selmi erhalten,
als er Studien von wässrigen Pseudolösungen aus Schwefel und Silberiodid durchführte.[35]
Über Gold in kolloiddisperser Form berichtete Faraday erstmals 1857, nachdem er GoldLösungen mit weißem Phosphor reduzierte und eine rubinrote Dispersion erhielt.[36] 1861
wurde der Begriff „Kolloid“ von Graham eingeführt und geprägt. Er fand heraus, dass
bestimmte Stoffe in Lösungen zwar nicht filtriert werden können, da sie den Filter einfach
passieren, jedoch mit Hilfe einer feinen Membran dialysiert werden können. Bei der Dialyse
durchquert ein Stoff durch Diffusionsvorgänge eine Membran. In diesem Fall durchdringen sämtliche freien Ionen und Moleküle die Membran, während die kolloidalen Partikel
zurückgehalten werden. Somit erstellte Graham erstmals das Kriterium der Partikelgröße
für ein kolloidales System.
Eine Möglichkeit zur Klassifizierung der Kolloide lieferte Staudinger im Jahre 1961. Demnach können kolloidale Systeme auf Grund ihrer thermodynamischen und strukturellen
Eigenschaften in drei Gruppen eingeteilt werden. Bei Dispersionskolloiden handelt es sich
um zweiphasige Systeme aus dispergierten, lyophoben Partikeln in einem kontinuierlichen Dispersionsmedium. Sie sind thermodynamisch nicht stabil und neigen dadurch zur
Aggregation oder Auflösung, weshalb sie meistens sterisch oder elektrostatisch stabilisiert werden müssen (Vgl. Kapitel 3.3). Die bereits zuvor erwähnten Metall-Nanopartikel
werden in diese Gruppe der Kolloide eingeordnet. Molekülkolloide sind Systeme aus lyophilen Makromolekülen wie beispielsweise Polymeren, die thermodynamisch stabil sind.
Die Partikelgröße wird primär durch den Polymerisationsgrad und die Tertiärstruktur der
Makromoleküle beeinflusst. Die dritte Gruppe kolloidaler Systeme sind die Assoziationskolloide. Diese sind ebenfalls thermodynamisch stabil und stellen Systeme aus kolloidalen
Mizellen dar, die beim Erreichen der kritischen Mizellbildungskonzentration spontan und
reversibel aus Tensidmolekülen gebildet werden.[37]
Da es sich bei Kolloiden um zweiphasige Systeme handelt, gibt es verschiedene Möglichkeiten, in welchen Aggregatzuständen die disperse Phase und das Dispersionsmedium
vorliegen können. Dabei dürfen sich die beiden Phasen nicht mischen oder ineinander löslich sein, da ansonsten echte Lösungen erhalten werden. Die Kombinationsmöglichkeiten
und Beispiele dieser kolloiddispersen Systeme sind nachfolgend in Tabelle 3.1 aufgelistet.
6
3 Theoretischer Hintergrund
Da Gase stets miteinander mischbar sind, ist eine Kombination aus einer gasförmigen
dispersen Phase in einem gasförmigen Medium nicht möglich.
Tab. 3.1: Kolloidale Systeme unterschiedlicher Zusammensetzung.
Aggregatzustand der
dispergierten Phase
Aggregatzustand des
Dispersionsmedium
Bezeichnung
gasförmig
gasförmig
flüssig
flüssig
fest
gasförmig
Schaum
Festschaum
Nebel, Flüssigaerosol
flüssig
flüssig
flüssig
fest
Emulsion
Festemulsion
fest
fest
fest
gasförmig
flüssig
fest
Rauch, Festaerosol
Dispersion, Sol, Suspension
Legierung, festes Sol
3.2 Nanopartikel
Mit dem Begriff des Nanopartikels wird typischerweise ein festes Teilchen mit besonders
kleinen Dimensionen beschrieben, dessen physikalischen und chemischen Eigenschaften
sich deutlich vom entsprechenden Festkörper unterscheiden. So zeigen Nanopartikel in
Dispersion beispielsweise mitunter andere Farben oder sind wesentlich reaktiver als im
makroskopischen Zustand. Die Definitionen, nach denen Teilchen als Nanopartikel klassifiziert werden, variieren allerdings stark, da es keine allgemeingültige Definition gibt. Oft
wird für die Einordnung die aktuelle Definition nach IUPAC (engl.: International Union
of Pure and Applied Chemistry) verwendet, nach der ein Nanopartikel einen aerodynamischen Radius von unter 100 nm aufweisen muss.[38] Als zusätzliches Kriterium werden
die veränderten Eigenschaften angeführt, wodurch auch Partikel mit einem Durchmesser
von über 100 nm als Nanopartikel bezeichnet werden. Ultrakleine Partikel, die aus nur
wenigen Atomen bestehen und nur einige Nanometer groß sind, werden auch als Cluster
oder Nanocluster bezeichnet.[21,39–41]
In aktuellen Forschungsgebieten der modernen Chemie gibt es zwei grundlegende Wege
zur Synthese von nanoskopischen Materialien mit unterschiedlichen Dimensionen, Funktionalisierungen und Morphologien. Die erste Möglichkeit ist die top-down-Methode, bei
der ausgehend von makroskopischem Material Nanopartikel oder Nanostrukturen synthetisiert werden. Dies gelingt durch einen Energieeintrag mit beispielsweise einem Laser,
einer Ionenfeinstrahlanlage (FIB - engl.: focused ion beam milling) oder durch Nanolithographie. Außerdem können Abscheideverfahren wie die chemische oder physikalische
Gasphasenabscheidung (CVD - engl.: chemical vapor deposition, PVD - engl.: physical vapor deposition) verwendet werden.[42–44] Diese Fertigungsprozesse eignen sich vor allem für
nanostrukturierte Oberflächen auf Substraten. Für die Darstellung von dispersen metalli-
3.2 Nanopartikel
7
schen Nanopartikeln in flüssigen Medien eignet sich der Laserablationsprozess. Durch die
Zugabe eines geeigneten Liganden zur kontinuierlichen Phase lässt sich die Stabilität der
dargestellten Nanopartikel erhöhen oder eine gewünschte chemische Funktionalisierung
erzeugen.[45–48] Eine für Metalle weniger geeignete Methode ist das Zermahlen mit Hilfe
einer Kugelmühle. Dabei wird makroskopisches Material durch Krafteinwirkung kleiner
Kugeln so lange zerkleinert, bis es sich im Nanobereich befindet. Metalle sind jedoch weich
und duktil, weswegen diese Methode seltener in Frage kommt.[43] Der bottom-up-Prozess
ist der zweite Syntheseweg und stellt eine präparative Darstellung von Nanopartikeln
durch einen Kristallisations- und Wachstumsprozess, ausgehend von atomaren Teilchen
dar. Diese Teilchen werden durch geeignete molekulare oder ionische Verbindungen erzeugt. Bei einem bottom-up-Ansatz zur Synthese von metallischen Nanopartikeln handelt
es sich um eine nasschemische Reaktion, in der Metallionen aus einer Lösung mit Hilfe von
variierenden Reduktionsmitteln und in Gegenwart eines stabilisierenden Liganden zu Atomen reduziert werden. Diese lagern sich zu Keimen zusammen und wachsen anschließend
zu Nanopartikeln. Der Vorteil dieses Ansatzes, Nanopartikel aus der kleinsten Dimension
heraus wachsen zu lassen, liegt in der hohen Variabilität der Eigenschaften der auf diesem
Weg synthetisierten Nanopartikel. Daher ist diese Methode in der Kolloidforschung weit
verbreitet. Durch die Wahl geeigneter Parameter (Temperatur, Konzentrationen, Ligand,
Reaktionszeit, etc.) lässt sich Einfluss auf die Partikelgröße, Morphologie, Zusammensetzung und Funktionalisierung nehmen.
Im Vergleich zu makroskopischen Körpern besitzen Nanopartikel bei gleichem Volumen
eine vielfach größere Oberfläche. Durch dieses sehr große Oberflächen/Volumen-Verhältnis
besitzen sie mitunter physikalisch-chemische Merkmale, die sich signifikant vom makroskopischen Material unterscheiden. So sind nanopartikuläre Systeme reaktiver, was auf
ihre hohe Oberflächenenergie zurückzuführen ist. Beispielhaft sei hier das so genannte
„pyrophore Eisen“ erwähnt. Makroskopisches Eisen als unedles Metall reagiert unter Normalbedingungen bei trockener Luft sehr langsam mit Luftsauerstoff. Durch thermisches
Zersetzen von Eisen(II)-oxalat (FeC2 O4 ) in einem Reagenzglas in der Brennerflamme wird
dieses teilweise zu elementarem Eisen reduziert. Bei Luftkontakt verbrennt es spontan unter Aufglühen, wobei Eisen(III)-oxid (Fe2 O3 ) gebildet wird.[49]
Auch können etwa größen- und morphologieabhängige optische oder elektronische Eigenschaften vorliegen. Besonders charakteristisch bei Edelmetall-Nanopartikel-Dispersionen
ist eine deutlich sichtbare Farbe. Beispielsweise besitzen Gold-Kolloide abhängig von der
Größe und Funktionalisierung Farben, die von Rot über Grün und Blau bis hin zu Violett
reichen.[50,51] Im Fall der ultrakleinen Nanocluster können unter sichtbarem Licht farblose
und optisch transparente Dispersionen vorliegen, die dafür im Gegenzug bei Anregung unter UV-Licht eine starke Fluoreszenz aufweisen. Die Ursache für die Farbigkeit von solchen
Nanopartikel-Dispersionen liegt in der Resonanz von lokalisierten Oberflächenplasmonen
begründet. Wenn die Wellenlänge der Strahlung deutlich größer ist als der durchschnitt-
8
3 Theoretischer Hintergrund
liche Partikeldurchmesser d, lassen sich die so genannten Plasmonenschwingungen der
Partikel anregen. Unter der Bedingung λ ≫ d resultiert um die Nanopartikel ein elektrisches Feld, welches eine quasistatische elektrische Feldstärke besitzt. Bei der Einstrahlung
der passenden Wellenlänge können die Elektronen, die sich im Leitungsband befinden, in
Form kohärenter lokalisierter Plasmonenschwingungen angeregt werden (Abb. 3.1). Dabei ist die Resonanzfrequenz von der Partikelgröße, der Morphologie und den Abständen
zwischen den Partikeln abhängt.[52–54]
A)
B)
+++
−−−
−−−
+++
Abb. 3.1: A) Nanopartikel ohne äußere Anregung und B) Anregung der Elektronenwolke
eines Nanopartikels durch ein äußeres elektrisches Feld.
Messen lassen sich die Plasmonenresonanzen durch die Aufnahme von Absorptionsspektren mit einem UV/Vis-Spektrometer. Auf Grund der energetischen Lage der d-Orbitale
und den daraus folgenden d-d-Übergänge zeigen Kolloide der Übergangsmetalle lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen im sichtbaren Bereich, was zu den charakteristischen
Farben der entsprechenden Kolloide führt. Durch die Abhängigkeit der Absorption der
Oberflächenplasmonenresonanz von den Abständen zwischen den Partikeln lässt sich eine
Agglomeration von Nanopartikeln oft optisch oder durch Messung eines Absorptionsspektrums mitverfolgen. So verändert sich beispielsweise die Farbe von sphärischen GoldNanopartikeln durch Agglomeration von intensiv rot nach blau-violett. Auch Informationen bezüglich der Partikelmorphologie lassen sich durch gemessene Absorptionsspektren
erhalten. Sphärische Nanopartikel zeigen nur eine Absorptionsbande, die typischerweise um 500 nm detektiert werden kann. Partikel mit anisotroper Morphologie, z.B. Würfel
oder Stäbchen, zeigen dagegen bi- oder multimodale Absorptionsspektren auf Grund mehrerer möglicher Polarisationsrichtungen.[52,53] Die optischen Eigenschaften von ultrakleinen Nanopartikeln unterscheiden sich mitunter sehr von denen größerer Nanopartikel, da
sich die elektronische Zustandsdichte von einem kontinuierlichen Band ausgehend deutlich
verringert. Unterschreitet die Partikelgröße den Wert von etwa 2 nm, so verschwindet die
Plasmonenresonanz völlig.[55] Dieser Übergang zwischen makroskopischem Material und
ultrakleinen Nanopartikeln lässt sich mit Hilfe des Bänder-Modells bildlich darstellen und
ist in Abbildung 3.2 gezeigt. Im Festkörper besitzen Metalle aufgrund der großen Anzahl
9
3.2 Nanopartikel
an Atomen kontinuierliche Bänder, die sich aus den Molekülorbitalen zusammensetzen.
Da sich zwischen diesen Bändern keine verbotene Zone befindet, besitzen Metalle eine
gute elektrische Leitfähigkeit. Wenn Nanopartikel eine gewisse Größe unterschreiten, so
liegt kein Kontinuum mehr vor und die Elektronen besitzen wieder diskrete Energiezustände wie in Molekülen. Dazu kommt, dass sich die Bänder nicht mehr überlappen und
eine Bandlücke auftritt.
Cluster
Partikel
Bulk
Energieniveaus
Atom
Größe
Abb. 3.2: Schematische Darstellung des Bändermodels.
Durch Bestrahlen einer kolloidalen Dispersion ultrakleiner Nanocluster mit elektromagnetischer Strahlung der passenden Wellenlänge kommt es zur Absorption und zu einer
Anregung der Elektronen vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO - engl.: highest
occupied molecular orbital) ins niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO - engl.: lowest unoccupied molecular orbital). Wenn die angeregten Elektronen anschließend wieder
relaxieren, unterliegen sie der Stokes-Verschiebung und geben die Energie als Strahlung
ab, die als Fluoreszenz wahrgenommen werden kann.[18,50,56,57] Als mögliche elektronische
Anregung wird von einem Übergang zwischen dem 5d- und dem 6s-Orbital ausgegangen,
bei dessen Relaxation unter Strahlungsemission die entsprechende Lumineszenz beobachtet werden kann.[55] Die Energiedifferenz zwischen dem HOMO und dem LUMO wird
als Bandlücke bezeichnet. Ihre Größe wird durch die Anzahl der Atome im Nanopartikel
bestimmt. Sie stellt eine Energiedifferenz dar und gibt somit direkt Auskunft über die
Wellenlänge von absorbiertem und emittiertem Licht.[58,59]
Des Weiteren wurde gezeigt, dass die verwendeten Liganden ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Absorptionseigenschaften haben, was über mögliche charge-transferMechanismen zwischen dem Ligand und dem Metallkern erklärt wird. Hierdurch wird
Elektronendichte vom Liganden auf das Metall übertragen, was ebenfalls unter Lichtabsorption oder -emission geschieht. Des Weiteren ist eine direkte Donorfunktion von
elektronenreichen Liganden oder Ligandfragmenten denkbar. Hierdurch ändert sich die
Besetzung der elektronischen Zustände des metallischen Kerns, wodurch sich die beobachtete Fluoreszenz verändert.[60,61] Eine Übersicht über die möglichen Emissionen von
Gold-Nanopartikeln in Abhängigkeit der Liganden ist in Abbildung 3.3 gezeigt. Da-
10
3 Theoretischer Hintergrund
bei handelt es sich bei den Liganden um PAMAM = Poly(amidoamin), MUS = 11Mercaptoundekansäure, DHLS = Dihydroliponsäure und BSA = Rinderalbumin (engl.:
bovine serum albumin).[50]
OH
OH
O
OH
O
O
OH
O
O
HO
O
OH
OH
O
OH
O
S
HO
O
S
OH
O
S
S SS S
S
S
S
S
S
S
S
SS SS
S
HO
O
O
O
S
S
S
OH
O
S
O
O
S
S
HO
OH
HO
S
S
OH
S
S
O
HO
O
S
O
HO
HO
OH
O
O
HO
O
O
HO
HO
HO
AuNC@PAMAM
S
S
O
AuNC@MUS
AuNC@DHLS
l / nm
400
AuNC@BSA
700
AuNC@DHLA
AUNC@MUS
AUNC@BSA
AuNC@PAMAM
Abb. 3.3: Schematische Darstellung der emittierten Wellenlänge in Abhängigkeit des stabilisierenden Liganden bei fluoreszierenden Gold-Nanoclustern. (übernommen
und übersetzt von Lin et al.[50] )
Wie zuvor beschrieben besitzen Nanopartikel eine große Oberfläche, die durch unterschiedliche Liganden stabilisiert werden kann. Es lassen sich zum einen direkt Liganden
aufbringen, die eine gewünschte Funktionalität (z.B. funktionelle Gruppen, Biomoleküle,
etc.) besitzen. Dies kann entweder über die Absorption von Liganden auf der Oberfläche (Physisorption) oder durch kovalente Anbindung auf die Oberfläche (Chemisorption)
geschehen. Besonders die Funktionalisierung mit empfindlichen Biomolekülen ist bei manchen Syntheserouten für Nanopartikel nicht möglich. Dann besteht die Möglichkeit, durch
einen Ligandenaustausch die vorherigen Liganden nach der Synthese durch die gewünschten Liganden zu ersetzen.[62] Als dritte Variante besteht die Option, durch Reaktionen
(z.B.: Substitutionsreaktion, Peptidknüpfung oder „Click“-Reaktion) an vorhandenen Liganden andere Funktionen kovalent anzubinden.[63–65] Diese Vielfältigkeit macht Nanopartikel zu einer für viele Forschungs- und Anwendungsgebiete interessanten Spezies.[16]
3.3 Stabilität von Kolloiden
Um die Stabilität eines Systems zu beschreiben, müssen zwei Komponenten der Stabilität
betrachtet werden. Auf der einen Seite gibt es die thermodynamische Stabilität und auf
der anderen Seite existiert die kinetische Stabilität. Wie in Kapitel 3.2 bereits beschrieben,
besitzen Nanopartikel eine sehr große spezifische Oberfläche, die mit sinkendem Partikeldurchmesser zunimmt. Thermodynamisch sind kleinere Partikel damit immer instabiler
als größere, da ihre freie Enthalpie (G) proportional zur spezifischen Oberfläche zunimmt,
wenn die Partikel kleiner werden. Dieser Zusammenhang ist in Gleichung 3.1 beschrieben.
11
3.3 Stabilität von Kolloiden
dG = γ · dAG
G
: freie Enthalpie
γ
AG
: Grenzflächen- oder Oberflächenspannung
: Grenzfläche
(3.1)
Wenn die Grenzfläche (AG ) abnimmt, so verringert sich auch die freie Enthalpie, wodurch
die Agglomeration der Nanopartikel thermodynamisch als freiwilliger Prozess einzuordnen
ist. Diese thermodynamische Instabilität kolloidaler Systeme sorgt dafür, dass es zu einer
Aggregation der Partikel kommt, was als Alterung bezeichnet wird. Dies führt mit der Zeit
zu einer Auflösung kleiner Partikel zugunsten von größeren Partikeln. Voraussetzung für
das Altern ist eine begrenzte Löslichkeit der dispergierten Phase im umgebenem Medium,
wodurch sich einzelne Atome, Ionen oder Moleküle herauslösen und sich anschließend
wieder an größeren Partikeln anlagern können. Dieser Prozess wird nach seinem Entdecker
als Ostwald-Reifung bezeichnet.[1,51] Langfristig führt dies zur Sedimentation der Partikel,
und in Abhängigkeit vom System ist dieser Prozess reversibel oder irreversibel.[1,66,67]
Die kinetische Stabilität von Kolloiden hängt dagegen von den verschiedenen Wechselwirkungen der einzelnen Partikel untereinander ab. Diese lassen sich zunächst grob in
attraktive (anziehende) und repulsive (abstoßende) Wechselwirkungen einteilen. Bei den
attraktiven Wechselwirkungen gibt es zunächst die van-der-Waals-Kräfte, bei denen es
sich um Dipol-Dipol-Wechselwirkungen handelt. Die Anziehungskraft zwischen zwei unterschiedlich geladenen Teilchen wird durch elektrostatische Anziehung (Coulomb-Kräfte)
beschrieben. Die dritte attraktive Wechselwirkung ist die Adsorptionskraft, durch die sich
Partikel aneinander lagern können. Wenn die Partikel eine gleiche Oberflächenladung besitzen, können Coulomb-Kräfte auch repulsiv sein. Dies stellt den wichtigsten Einfluss auf
die Stabilisierung von Partikeln dar. Als weitere stark repulsive Wechselwirkung ist die
Bornsche Abstoßung zu nennen, welche bei der Durchdringung der Elektronenhüllen bei
sehr geringen Abständen auftritt. Die dritte Möglichkeit, eine Stabilisierung zu erhalten,
ist eine Abstoßung zwischen zwei Hydrathüllen.[37,68]
Eine Betrachtung eben dieser Wechselwirkungen erfolgt in der DLVO-Theorie, die nach
ihren Entwicklern Derjaguin, Landau, Verwey und Overbeek benannt ist. In dieser Theorie
werden die attraktiven und repulsiven Wechselwirkungen zwischen Partikeln verglichen
und abgewogen, wodurch sich direkt Abschätzungen über die Stabilität von kolloidalen Dispersionen vornehmen lassen.[69,70] Man nimmt an, dass Partikel, die ursprünglich
neutral geladen waren, eine Oberflächenladung ausbilden, sobald sie mit Elektrolyten
im Dispersionsmedium in Kontakt kommen.[71,72] Durch diese Ladung lagern sich Ionen,
die im Dispersionsmedium gelöst sind, an die Partikeloberfläche an, um diese Ladungen
zu kompensieren. Zur Veranschaulichung dieses Effektes gibt es wiederum zwei Modelle, welche die Ladungsverhältnisse an den Phasengrenzen beschreiben. Das Modell nach
12
3 Theoretischer Hintergrund
Helmholtz beschreibt eine starre Schicht aus solvatisierten Ionen, die eine zur Oberfläche
gegensätzliche Ladung tragen. Diese Gegenionen liegen auf der Partikeloberfläche adsorbiert vor und sind thermisch unbeweglich (Vgl. Abbildung 3.4A). Das zweite Modell nach
Stern, Gouy und Chapman (SGC-Modell) stellt eine Erweiterung des Helmholtz-Modells
dar. Auch dieses Modell geht von einer starren Schicht aus adsorbierten Gegenionen auf
der Partikeloberfläche aus. Darauf folgt eine mehrere Moleküllagen weitreichende diffuse
Schicht aus solvatisierten Ionen. Diese diffuse Schicht bildet auf Grund der thermischen
Bewegungen der Ionen und Solvensmoleküle eine dynamische Hülle um die Partikel. Dadurch bildet sie einen Ladungsausgleich zwischen dem Dispersionsmedium und der starren
Schicht aus (siehe Abbildung 3.4B).
+
̱
++
- +
̱
- +
- +
̱
- +
- + ̱
̱
+
E
+
+
+
+
+ +
+
+ +
E
+
+
- ++
- +
- +
- +
- +
-
+
+
+
+
B)
A)
̱
+
+
̱
+
+
+
̱
+
ΨM
Ψδ
ΨM
z
δ
δ+σ
z
Abb. 3.4: Elektrochemische Doppelschicht im Helmholtz-Modell (A) und SGC-Modell
(B) mit dazugehörigen Potentialverläufen. ΨM = Potentialunterschied, Ψδ =
Stern-Potential, δ = Größe der Stern-Schicht, σ = Größe der diffusen Schicht,
z = Oberflächenabstand.
Wenn die Partikel durch das Dispersionsmedium diffundieren, bewegen sich die Ionen
der Stern-Schicht sowie ein Teil der Ionen aus der diffusen Schicht mit. Der Radius der
Ionenhülle, die sich mit dem Partikel bewegt, wird als Scherradius bezeichnet. Das Potential, dass sich an der Grenze zwischen dem hydrodynamischen Scherradius und dem
Dispersionsmedium ausbildet, wird als Zeta-Potential (ζ) bezeichnet (siehe Abbildung
3.5). Das Zeta-Potential ist ein Maß für die Stabilität kolloidaler Systeme. Wenn alle Partikel eines Systems ein einheitliches, betragsmäßig großes Zeta-Potential besitzen
(|ζ| >30 mV), so sind die repulsiven Wechselwirkungen zwischen den Partikeln sehr stark
und eine Agglomeration der Partikel wird erschwert. Damit gelten solche kolloidalen Systeme als stabil.[66,67]
13
3.3 Stabilität von Kolloiden
̱
+
̱
+
̱
+ + ++
++
+
̱
̱
̱
+
+
+
+
+
+
̱
+
++ + + ++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
̱
+
̱
+
̱
̱
̱
̱
+
+
̱
Stern-Schicht
Scherebene
̱
+
̱
+
̱
̱
+
E
+
̱
+
+
̱
Oberflächenpotential
ζ-Potential
z
Abb. 3.5: Potentialverlauf an der Fest-Flüssig-Phasengrenze.
Wie bereits zuvor beschrieben lassen sich mit Hilfe der DLVO-Theorie Stabilitätsbetrachtungen kolloidaler Systeme anstellen. Die Stabilität von Kolloiden kann aus der Gesamtpotentialfunktion (VT ) des Systems berechnet werden. Diese Funktion stellt die Summe
der unterschiedlichen Wechselwirkungen dar und ist folgend in Gleichung 3.2 formuliert.
VT = VA + VR + VS
VT
VA
: Gesamtpotential
: Potentialbeitrag durch attraktive Wechselwirkungen
VR
VS
: Potentialbeitrag durch repulsive Wechselwirkungen
: Potentialbeitrag durch das Dispersionsmedium
(3.2)
Der Beitrag des Dispersionsmediums ist als gering einzuordnen. Die Summe der attraktiven Komponenten, d.h. der van-der-Waals-Anziehung und der repulsiven Komponenten,
also der Born-Abstoßung und die oben angesprochene Abstoßung durch die elektrochemische Doppelschicht, ergibt eine Potential-Abstandsfunktion, wie sie in Abbildung 3.6 dargestellt ist.[34] Am Kurvenverlauf der Gesamtwechselwirkung zeigt sich, dass die Höhe des
lokalen Maximums der Potentialkurve entscheidend für die Stabilität des kolloidalen Systems ist. Je höher die Energie dieses Maximums ist, umso stabiler ist die Dispersion.[37,66]
In einem System, das sich energetisch im sekundären Minimum befindet, kann eine Ausflockung auftreten, welche jedoch reversibel ist. Wenn das System das Energiemaximum,
welches von den repulsiven Wechselwirkungen hervorgerufen wird, durch eine zu starke
Annäherung der Partikel überschreitet, kommt es zu einer irreversiblen Koagulation der
Partikel, wodurch die attraktiven van-der-Waals-Kräfte deutlich überwiegen. Eine Stabilisierung der Partikel durch eine Erhöhung der Ladungsdichte auf der Oberfläche führt
14
3 Theoretischer Hintergrund
dazu, dass die Energiebarriere erhöht wird und damit die reversible Ausflockung gegenüber der irreversiblen Aggregation begünstigt wird.[73,74] Diese Form der Stabilisierung
kolloidaler Systeme hängt allerdings stark von der Konzentration eventuell vorhandener
Elektrolyte in der kontinuierlichen Phase ab. Erhöht man die Salzkonzentration in der
Dispersion, so kann es schnell zu einer Abnahme der elektrostatischen Abstoßung kommen, was dazu führt, dass die kinetische Potentialbarriere verringert wird und es somit zu
überwiegend attraktiven Wechselwirkungen und damit zur Aggregation oder Koagulation
des Kolloids kommt.[66,75]
Born-Abstoßung
Doppelschichtabstoßung
Potential
Maximum
Abstand
Sekundäres Minimum
van-der-Waals-Anziehung
Primäres Minimum
Gesamtwechselwirkung
Abb. 3.6: Potential-Abstandsfunktion aus unterschiedlichen Wechselwirkungen.
Versieht man Nanopartikel mit einer sterisch anspruchsvollen Ligandenhülle, so kann in
Systemen, in denen die elektrostatische Abstoßung nicht oder nur unzureichend erzielt
werden kann (z.B. biologische Medien mit erhöhter Elektrolytkonzentration), die Stabilität von kolloidalen Partikeln bedeutend erhöht werden. Die Belegung der Partikeloberfläche mit Liganden kann wie bereits erwähnt über Physisorption oder durch Chemisorption
erfolgen. Die sterische Stabilisierung beruht auf einer Erhöhung der freien Energie des
Systems bei Annäherung der Ligandenhüllen der Partikel aneinander. Verringern zwei
Partikel ihren Abstand zueinander, so berühren sich die beiden Ligandenhüllen ab einem
bestimmten Abstand. Nähern sich die beiden Partikel noch weiter einander an, so führt
dies entweder zu einer Kompression oder einer Interpenetration der Ligandenhüllen. Schematisch sind diese Effekte in Abbildung 3.7 dargestellt. Bei beiden Phänomenen kommt
es zu einer Erhöhung der Ligandenkonzentration zwischen den Partikeloberflächen, was
dazu führt, dass die Beweglichkeit von Fragmenten der Ligandenhülle vermindert wird.
Dadurch nimmt die Entropie ab und im Gegenzug steigt die freie Energie an, was die
Grundlage der sterischen Stabilisierung darstellt. Da mit sinkenden Abstand eine Kompression der Ligandenhüllen unausweichlich ist, steigt die freie Energie steil an. Dadurch
kann die sterische Stabilisierung speziell die durch attraktive van-der-Waals-Kräfte induzierte Agglomeration verhindern.[66,76,77]
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel
15
Abb. 3.7: Auswirkungen einer Annäherung von zwei sterisch stabilisierten Partikeln auf
die Ligandenhülle.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Aspekten, beeinflusst die Sedimentation die Stabilität eines kolloidalen Systems. Durch die Wirkung der Gravitation auf kolloidale Systeme
neigt jeder Partikel, der eine größere Dichte als das Dispersionsmedium aufweist, zur Sedimentation. Größere Partikel sedimentieren schneller, da die Brownsche Molekularbewegung schwächer als bei kleinen Partikeln ist. Werden Scherkräfte durch z.B. starkes Rühren
oder Ultraschall induziert, können lockere Agglomerate gelöst werden. Durch einen sehr
hohen Energieeintrag in das System kommt es im Gegenzug jedoch zu stärkeren Kollisionen zwischen den Partikeln und damit eventuell zur Überwindung der repulsiven Kräfte,
was wiederum zur Bildung neuer Aggregate führt.[66]
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel
Gold ist eines der edelsten Metalle und kommt in der Natur vorwiegend gediegen vor, zum
Beispiel als goldhaltiger Quarz. Des Weiteren sind auch einige Mineralien bekannt, die dieses wertvolle Element enthalten. Zu diesen Mineralien gehören z.B. Sylvanit (AuAgTe4 ),
Nagyágit ((Pb, Au)(S, Te, Sb)1 – 2 ) oder Calaverit (AuTe2 ). Die wichtigsten Fundorte befinden sich in Südafrika, Australien, Kaliforniern und in Siebenbürgen. Dazu kommt eine
Goldmenge von 0,001 – 0,01 mg m−3 in den Weltmeeren, was einem Gesamtgehalt von
mehreren Millionen Tonnen entspricht. Jedoch gibt es noch keine Technologie, die eine
Gewinnung aus dem Meer rentabel gestalten würde. Die Darstellung von Rohgold erfolgt
in der Regel über Cyanidlaugerei oder Amalgambildung. Bei der Cyanidlaugerei wird das
Gold aus dem zerkleinerten Erz durch den Zusatz von Kaliumcyanid und unter Luftzufuhr zunächst oxidiert und gelöst. Nach der Extraktion des Dicyanidoaurat-Komplexes
(Au(CN)2 – ) lässt sich das Gold durch Zink wieder zum Element reduzieren. Dagegen
wird das Gold bei der Amalgambildung mit Quecksilber zu Reaktion gebracht, wodurch
sich das Amalgam bildet. Dieses wird isoliert, und anschließend lässt sich das Quecksilber
durch Destillation wieder vom Gold abtrennen. Zur Aufreinigung des Rohgoldes verwen-
16
3 Theoretischer Hintergrund
det man ein Elektrolyseverfahren mit einer Anode aus Rohgold und einer Kathode aus
Feingold. Das so erhaltene Elektrolytgold besitzt eine Reinheit von 99,98 %. Der anfallende Anodenschlamm enthält Platinmetalle in unterschiedlichen Konzentrationen und
wird anschließend in einem gesonderten Verfahren aufgearbeitet, um diese ebenfalls zu
gewinnen.[78,79]
Der sogenannte „wilde Abbau“ oder Kleinstbergbau von Gold in den Ländern wie Peru
ist die Hauptursache für die Emission von Quecksilber in die Umwelt. Es wird geschätzt,
dass 2010 durch menschliche Emission ca. 2000 t des giftigen Schwermetalls in die Umwelt
gelangt sind. Davon werden ca. 37 % durch den Kleinstbergbau verursacht, was weit mehr
ist als durch die großtechnischen Darstellung (5 %).[80]
Aufgrund seines gediegenen Vorkommens war Gold vermutlich das erste Metall, was dem
Menschen bekannt war. Die ältesten Funde von Goldgegenständen datieren bis ins 6.
Jahrtausend v. Chr. zurück. Dabei wurde es schon immer hauptsächlich als Schmuckstück oder Zahlungsmittel verwendet. In modernen Anwendungen wird Gold aufgrund
seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit als Leitermaterial auf Platinen oder Steckern
benutzt. Hinzu kommt, dass es sich durch Walzen, Ziehen oder Löten sehr gut verarbeiten lässt. In der Medizin findet es wegen seiner Korrosionsbeständigkeit Anwendung
im Dentalbereich als Prothese oder Füllmaterial.[79] Gegen Rheuma wird es in Form der
Gold-Salze Natriumaurothiomalat und Auranofin eingesetzt.
Au
S
-
O
Na+ O
HO
O
O
O
O
n
O
O
O
O
P
Au
S
O
O
Abb. 3.8: Chemische Strukturen der Wirkstoffe Natriumaurothiomalat (links) und Auranofin (rechts).
Allerdings haben diese Medikamente starke Nebenwirkungen (Allergische Reaktionen,
Übelkeit, Durchfall, Juckreiz, Ausschläge), so dass 50 % der Therapien wieder abgebrochen
werden müssen. Besonders auffällig ist die so genannte Chrysiasis, bei der es zu einer
gräulichen Verfärbung der Haut kommt, vergleichbar mit Argyrie, die bei der Aufnahme
von Silber auftritt und zu einer blau-grauen Verfärbung der Haut führt.[81] Elementares
Gold weist dagegen keine gesundheitsschädigenden Eigenschaften auf, da es wegen seines
edlen Charakters vom Körper nicht oxidiert werden kann.
In nanopartikulärer Form fand Gold bereits im antiken Rom Verwendung beim Färben
von Gläsern. Den damaligen Handwerkern war allerdings nicht bewusst, dass es sich um
Kolloide oder Nano-Materialien handelt. Das dabei verwendete Farbpigment trägt den
Namen Goldpurpur und stellt kolloidal verteiltes Gold in einer Glas-Matrix dar. Die eigentliche Entdeckung, dass man mit synthetischen Goldsolen Keramiken färben kann,
17
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel
stellten Johann Kunckel und Andreas Cassius von Leyden im Jahre 1685 vor. Veröffentlicht wurde das Prinzip aber bereits schon 1659 und bereits 1679 wendete es eine Manufaktur in Potsdam technisch an. Bei der beschriebenen Reaktion wird kolloidales Gold
aus einer Goldlösung in aqua regia mit Hilfe von Zinn oder Zinn(II)-chlorid gefällt.[82]
Eine systematische Untersuchung von kolloidalem Gold erfolgte durch Michael Faraday
erst fast 200 Jahre später. Er befasste sich mit den vom makroskopischen Material abweichenden physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gold-Nanopartikeln. Für die Synthese
verwendete er Goldsäure, welche er mit einer Lösung von elementarem weißem Phosphor
reduzierte.[36,83,84] Bei diesen Untersuchungen arbeitete Faraday an mechanischen Kompressionsexperimenten mit dünnen Filmen aus nanopartikulärem Gold und er schloss aus
seinen Ergebnissen, dass kolloidales Gold im metallischen Zustand vorliegen muss. Damit
war das Gebiet der Metall-Kolloide begründet.[75,85]
Eine der am weit verbreitetsten bottom-up-Verfahren zur Darstellung sphärischer GoldNanopartikel ist die Reduktion von Tetrachloridogoldsäure mit Trinatriumcitrat, welche
von Turkevich et al. etabliert wurde.[86] Die Reproduzierbarkeit und der einfache praktische Aufwand machen diese Reaktion sehr attraktiv. Daher wurde sie in zahlreichen
Varianten untersucht.[87–90]
O
-O
O
HO
O-
O
O-
Abb. 3.9: Strukturformel eines Citrat-Ions
Variiert man Reaktionsparameter wie Temperatur oder Stoffmenge des Trinatriumcitrats,
so kann eine sehr gute Kontrolle über die Größe der Nanopartikel erreicht werden. Bei
einem Verhältnis von Gold:Citrat von 1:10 ist die minimale Größe von ca. 13 nm erreicht.
Verringert man die Menge an Citrat, so werden die Nanopartikel größer. Bei einem Verhältnis von 1:4 weisen die Partikel eine Größe von ca. 40 nm auf und sind dennoch relativ
monodispers. Bei noch kleineren Mengen an Ligand wird das System instabil und die
Größenverteilung der Partikel wird breiter.[75,86,88] Aktuelle Untersuchungen von Polte
et al. zum Wachstumsmechanismus der Partikel während dieser Reaktion arbeiten mit
Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS - engl.: small-angle x-ray scattering ) und RöntgenNahkanten-Absorptionsspektroskopie (XANES - engl.: x-ray absorption near-edge structure). Dabei wurde ein vierstufiger Nukleationsmechanismus vorgeschlagen, der allerdings
von der konventionellen LaMer-Theorie abweicht (Abbildung 3.11). Nach LaMer et al.
kommt es zunächst zu einer langsamen und kontrollierten Übersättigung der Lösung.
Nach dem Erreichen der kritischen Konzentration kommt es zu einer spontanen Kristallisation. Die so entstehenden Keime sind monodispers und entstehen so lange, bis die
Übersättigung weitestgehend abgebaut ist. Die restliche Übersättigung wird durch Diffusion der verbliebenen gelösten Teilchen zu den Keimen ausgeglichen, bis keine übersättigte
18
3 Theoretischer Hintergrund
Lösung mehr vorliegt. Eine graphische Auftragung der Keim-Konzentration gegen die Zeit
ist in Abbildung 3.10 gezeigt.[91,92]
Konzentration
kritische Übersättigung c0
Sättigungskonzentration cS
I
II
III
Zeit
Abb. 3.10: LaMer-Modell für das Wachstum von Kolloiden mit den Phasen I) Keimbildung, II) Nukleation und III) Wachstum. (übernommen und übersetzt nach
LaMer und Dinegar [92] )
Der vorgeschlagene Nukleationsmechanismus nach Polte et al. verläuft über vier Stufen
und geht dagegen zunächst von polydispersen Keimen aus. Diese unterliegen der OstwaldReifung, wodurch sich kleinere Partikel wieder auflösen und größere wachsen, bis auch hier
ein monodisperses System vorliegt.[93,94]
Au
3+
Au
Wachstum
durch
Aggregation
Nukleation
~2 nm
langsames
Wachstum
~3 nm
schnelles
Wachstum
~5,5 nm
~7,7 nm
Abb. 3.11: Vorgeschlagener Wachstumsmechanismus von Gold-Nanopartikeln in der
Turkevich-Methode. (übernommen und übersetzt nach Polte et al.[94] )
Anstelle von reinem Trinatriumcitrat kann auch ein Gemisch aus Citrat und Tannin verwendet werden. Tannin ist ein natürliches Polyhydroxyphenol und wird als Gerbstoff aus
diversen Pflanzen und Sträuchern gewonnen. Aufgrund seiner erhöhten Reaktivität verkürzt sich die Reaktionszeit deutlich, die so dargestellten Gold-Nanopartikel sind kleiner
(5 – 10 nm) und besitzen eine erhöhte Stabilität.[95,96]
19
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel
OH
HO
OH
HO
OH
HO
O
O
OH
O
O
O
O
OH
O
O
HO
HO
OH
O
O
O
HO
O
O
O
O
HO
OH
O
O
O
OH
O
HO
OH
HO
HO
OH
OH
O
OH
O
HO
HO
OH
Abb. 3.12: Strukturformel von Tannin
Neben der Citrat-Methode nach Turkevich sind bereits eine Vielzahl weiterer Reduktionsmittel verwendet worden. Als Beispiele seien unter anderem Hydrazin,[51] Alkohole,[51]
Natriumborhydrid,[97,98] Ascorbinsäure,[99] und Hydrochinon[100] genannt. Neben wässrigen Syntheserouten sind aber auch Reaktionen in organischen Lösungsmitteln für die Darstellung von Gold-Nanopartikeln bekannt. Die wohl bekannteste Methode stellten Brust
et al. 1994 vor.[101] Sie reduzierten Goldsäure in einem Zweiphasensystem aus Wasser
und Toluol mit Natriumborhydrid. Dafür wurde die Tetrachloridogoldsäure zunächst mit
Hilfe eines Phasentransferkatalysators (z.B. Tetraoctylammoniumbromid) in die organische Phase überführt und anschließend durch Zugabe von Natriumborhydrid reduziert.
Als Stabilisatoren waren während der Reaktion langkettige Thiole wie z.B. Dodekanthiol
anwesend. Mit dieser sogenannten Brust-Schiffrin-Methode lassen sich sehr kleine GoldNanopartikel darstellen, die zwischen 1 und 5 nm groß sind. Da auch die Ausbeuten dieser
Reaktion sehr groß sind, wurde sie in mehreren verschiedenen Varianten adaptiert und
weiterentwickelt.[75,85,102,103]
Etwas exotischer ist eine Darstellungsmethode nach Rastogi et al., bei der Goldsäure in Dimethylformamid (DMF) gelöst und refluxiert wird. Die so dargestellten Nanocluster weisen eine Größe von 5 – 10 nm auf und zeigen unter UV-Licht eine hell blaue Fluoreszenz.[56]
Des Weiteren ist auch eine Darstellung über Polyolprozesse[104,105] oder in mizellaren Nanoreaktoren[106–108] möglich. Durch die Wahl des Reduktionsmittels und der Reaktionsbedingungen lässt sich die resultierende Partikelgröße sehr präzise einstellen. Mit einem
steigenden Reduktionspotential nimmt die Zahl der gebildeten Keime zu und das Wachstum der Partikel wird begrenzt, wodurch im Produkt kleinere Partikel gebildet werden.
20
3 Theoretischer Hintergrund
Der zweite wichtige Parameter metallischer Nanopartikel ist die Funktionalisierung der
Oberfläche. Da Schwefel besonders aurophil ist, werden häufig Thiole oder andere Organoschwefelverbindungen eingesetzt. Nach dem HSAB-Prinzip (engl.: hard and soft acids
and bases) kommt es zwischen dem Schwefel der Thiol-Gruppe und den Goldatomen der
Partikeloberfläche zu einer sehr stabilen kovalenten Wechselwirkung. Damit lassen sich
durch die Wahl eines geeigneten Thiol-Liganden unterschiedliche, sehr stabile Oberflächenfunktionalisierungen realisieren.[109] Die Oberflächen lassen sich z.B. durch Alkyl- oder
Arylmercaptane unpolar funktionalisieren, wodurch sich die Partikel in unpolaren, organischen Lösungsmitteln dispergieren lassen.[102,110–113] Werden für das Arbeiten in wässrigen
Medien dagegen polare Oberflächen benötigt, so können die Nanopartikel beispielsweise
durch bifunktionale Thiole wie Mercaptoalkansäuren,[57,62,114,115] Mercaptoalkohole,[56,116]
Mercaptoalkylamine[117] oder auch Gemischen von verschiedenen Spezies[118,119] stabilisiert werden. Durch die zweite funktionelle Gruppe lässt sich durch Protonierung oder
Deprotonierung eine elektrische Ladung auf die Oberfläche der Partikel bringen.
Neben Schwefel bindet auch Phosphor relativ stark an eine Gold-Oberfläche, so dass sich
auch Phosphane einsetzen lassen, um einen Nanopartikel zu stabilisieren. Der bekannteste
Vertreter unter den phosphanstabilisierten Goldclustern ist der Au55 -Cluster von Schmid
et al., der mit Triphenylphosphan als Ligand dargestellt wurde. Obwohl seine exakte
Struktur bis heute unbekannt ist, ist seine Zusammensetzung mit Au55 [P(C6 H5 )]12 Cl6 genau bestimmt.[120,121] Analog zu Schwefel- und Phosphor-Verbindungen lassen sich auch
Amino-Liganden einsetzen.[122–125] Zusätzlich finden Polymerliganden wie Polyethylenglykol (PEG)[126,127] oder Polyvinylpyrrolidon (PVP)[128] eine breite Verwendung. An zusätzlichen funktionellen Gruppen können die Partikel durch Kopplungsreaktionen umfunktionalisiert werden, wodurch sie hervorragend als Trägermaterial für beispielsweise Spinund Farbstofflabel oder Biomoleküle fungieren können.[129–132]
Auch die Darstellung bestimmter Morphologien steht im Fokus der Forschung, wofür verschiedene Möglichkeiten diskutiert werden. Um eine bestimmte Partikelform zu erhalten,
ist es notwendig, die Nukleations- und Wachstumsprozesse zu trennen, indem Reagenzien hinzugegeben werden, die auf dem Kristallkeim selektiv bestimmte Kristallflächen
besetzen. Dies ist möglich, da jede Kristallfläche eine andere Oberflächenenergie besitzt.
Dadurch wird ein anisotropes Wachstum der Partikel begünstigt. Die bekanntesten Formen von Gold-Nanopartikeln sind Nanostäbchen,[133–135] Nanoprismen,[136] und platonische
Kristalle.[104,137,138] Aber auch komplexere Formen wie Sterne[139] oder Fässer[140] lassen
sich verwirklichen.
Aufgrund ihrer beschriebenen vielfältigen Möglichkeiten zur Modifikation von Partikelgröße, Oberflächenfunktionalität oder Morphologie und ihrer guten Biokompatibilität stellen
Gold-Nanopartikel ein sehr attraktives Material in der Nanowissenschaft dar.[141,142] Sie
finden deshalb in sehr vielen verschiedenen Gebieten Anwendung, wie z.B. der Biochemie,
der Zellbiologie,[17,143–145] der Nanotechnologie[143] und der Materialwissenschaft.[146,147]
3.4 Gold und Gold-Nanopartikel
21
Aktuell werden sie in der biochemischen Forschung besonders für die Einsatzmöglichkeiten in der Gentherapie, der Krebstherapie und als Trägermaterial für eine kontrollierte
Wirkstofffreisetzung untersucht.[23,24]
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass nicht nur in Laboren, sondern auch in der Natur
Gold-Nanopartikel „synthetisiert“ werden. Die Bakterien Delftia acidovorans und Cupriavidus metallidurans sind in der Lage, mit Hilfe von Peptiden in stark toxischen, schwermetallhaltigen Gewässern zu überleben, indem sie Nanopartikel synthetisieren. Durch die
Reduktion der Metallionen zum Metall sind diese für das Bakterium nicht mehr schädlich.
Reith et al. fanden heraus, dass es sich um eine gold-regulierte Genexpression der Bakterien handelt, wodurch dieser Prozess eine aktive Biomineralisation darstellt. Neben Gold
konnten Forscher auch andere Edelmetalle (Pd, Pt, Ru, etc.) finden, die von Bakterien
reduziert werden können.[148,149]
23
4 Verwendete Methoden
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
4.1.1 Allgemeiner theoretischer Hintergrund
Die NMR-Spektroskopie (engl.: nuclear magnetic resonance) stellt in der organischen
Chemie wohl eine der wichtigsten Methoden zur Analyse dar. So können sowohl Reinheit
als auch Struktur mit Hilfe von verschiedenen Experimenten untersucht werden. Dabei
können Messungen sowohl an flüssigen Proben als auch an Feststoffen erfolgen. Einen
schematischen Aufbau eines NMR-Spektrometers zeigt Abbildung 4.1. Das Herzstück eines jeden NMR-Gerätes ist der Magnet, der mit flüssigem Helium (−269 ◦C) gekühlt wird,
damit die Legierung der Spule, aus der der Magnet besteht, elektrisch supraleitend ist.
Dadurch werden die Spulen nur einmal elektrisch geladen und können dann über Jahre
betrieben werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Abfall des Magnetfeldes kommt.
Um den Heliumtank befinden sich verschiedene Isolierungen und ein Kühltank für flüssigen Stickstoff, um die Abdampfrate des Heliums so gering wie möglich zu halten. Das
Probenröhrchen sitzt im Probenkopf und ist von der Shim-Einheit umgeben, welche aus
verschiedenen kleinen Spulen besteht. Diese sorgen dafür, dass auch kleinste Inhomogenitäten im Magnetfeld ausgeglichen werden können, was die spektrale Auflösung und
Empfindlichkeit steigert.
3
2
1
1
2
4
6
5
Abb. 4.1: Schematischer Aufbau eines NMR-Spektrometers mit 1) Magnetspule mit flüssigem Helium, 2) flüssiger Stickstoff-Tank, 3) Probenlift und Rotationseinheit,
4) Probenröhrchen, 5) Probenkopf und 6) Shim-Einheit.[150]
24
4 Verwendete Methoden
Mit dieser Methode werden Atomkerne vermessen. Um das Messprinzip besser erklären
zu können, wird als erstes kurz auf deren Eigenschaften eingegangen. Aufgebaut ist ein
Atomkern aus Protonen und Neutronen, welche beide einen Spin von I = 21 besitzen. Sie
verhalten sich ähnlich wie Elektronen in der Hülle und besetzen unterschiedliche EnergieNiveaus, welche einzeln oder paarweise besetzt werden. Wenn sich zwei Protonen oder
zwei Neutronen auf einem Niveau befinden, sind die Spins jeweils entgegengesetzt ausgerichtet, so dass die Summer der Spins zweier gepaarter Nukleonen null ergibt. Wenn
nun die Zahl der Protonen und die Zahl Neutronen gerade ist (gg-Kerne) und somit alle
Nukleonen gepaart sind, ist der gesamte Kernspin I = 0. In Kernen wie z.B. 12C, 16O oder
28
Si ist dies der Fall, weswegen sich diese Kerne mit der Kernmagnetresonanzspektroskopie nicht untersuchen lassen. Das bedeutet, dass für ein NMR-Experiment entweder die
Protonen- oder die Neutronenanzahl (ug-Kern) des zu untersuchenden Atomkerns ungeradzahlig sein müssen (z.B.: 17O, 31P oder 35Cl). In diesem Fall besitzen die Atomkerne
einen halbzahligen Spin. Zusätzlich können auch beide Anzahlen ungerade sein (uu-Kern)
wie es bei den Isotopen 10B oder 14N der Fall ist. Das hat zur Folge, dass diese Atomkerne
einen ganzzahligen Kernspin besitzen. Dieser Kernspin beruht auf dem Eigendrehimpuls
(P ), der proportional zum magnetischen Moment µ ist. Der Proportionalitätsfaktor für
die sich daraus ergebende Gleichung 4.1 ist das gyromagnetische Verhältnis γ, welches für
jedes Isotop eine charakteristische Konstante darstellt. Von γ hängt die Empfindlichkeit
des Kerns maßgeblich ab, wobei Kerne mit einem großen gyromagnetischen Verhältnis
(Bsp.: 1H, 3H oder
19
F) als sehr empfindlich gelten.
µ=γ·P =γ·
q
I · (I + 1) · h̄
µ
: magnetisches Moment
γ
P
: gyromagnetisches Verhältnis
: Eigendrehimpuls
I
h̄
: Kernspinquantenzahl
: reduziertes Wirkungsquantum (1,054 571 8 · 10−34 J s)
(4.1)
Bringt man eine Probe in ein statisches homogenes Magnetfeld der Stärke B0 , so werden
sich die Kernspins in unterschiedlichen Orientierungen ausrichten. Diese Orientierungen
besitzen unterschiedliche Energie-Niveaus. Damit kommt es zu einer energetischen Aufspaltung der Kernspins, was als Zeeman-Effekt bezeichnet wird. Beschreiben lassen sich
die Energie-Niveaus durch die magnetische Quantenzahl m = I, I − 1, . . . , −I. Es ergeben sich stets (2I + 1) Orientierungen oder auch Zeeman-Niveaus. Die Energie dieser
Zeeman-Niveaus lässt sich mit Gleichung 4.2 berechnen.
25
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
E = −m · γ · B0 · h̄
E
: Energie des Zeeman-Niveaus
m
B0
: magnetische Quantenzahl
: Magnetische Flussdichte
(4.2)
Eine schematische Darstellung des Zeeman-Effekts ist in Abbildung 4.2 am Beispiel eines
Atomkerns mit einem Kernspin von I = 21 gezeigt. Dessen Spins spalten in zwei EnergieNiveaus auf, wobei sich die Kerne entweder parallel oder antiparallel zum äußeren Magnetfeld ausrichten können. Die parallele Ausrichtung ist dabei energetisch günstiger als
die antiparallele Ausrichtung.
E
ohne
Magnetfeld
mit
Magnetfeld
1
1
E1= + 2 ·g·B0·ħ mit m = − 2
1
I=2
ΔE
1
1
E2= − 2 ·g·B0·ħ mit m = + 2
Abb. 4.2: Schematische Darstellung des Zeeman-Effektes für einen Kern mit I = 12 .
Als Differenz zwischen den beiden Energie-Niveaus ergibt sich der nach Gleichung 4.3 bestehende Zusammenhang. Demzufolge ist die Aufspaltung zwischen zwei Energie-Niveaus
direkt proportional zur magnetischen Feldstärke und abhängig vom gyromagnetischen
Verhältnis. Das bedeutet, dass der Zeeman-Effekt eines Atomkerns umso ausgeprägter
ist, je stärker das angelegte Magnetfeld und je empfindlicher der Atomkern ist.
∆E = γ · B0 · h̄
∆E
(4.3)
: Energiedifferenz zwischen den Zeeman-Niveaus
Die Energiedifferenz zwischen benachbarten Niveaus ist verglichen mit der mittleren thermischen Energie des Systems sehr klein. Sie beträgt für Protonen beispielsweise bei einem
300 MHz-Spektrometer ca. 0,12 J mol−1 . Dadurch ist das untere Energie-Niveau nur sehr
geringfügig etwas stärker besetzt als das obere Energie-Niveau. Dieser minimale Besetzungsunterschied ist es, der die Beobachtung von Signalen in der NMR-Spektroskopie
ermöglicht. Die Besetzung der Energie-Niveaus unterliegt der Boltzmann-Verteilung und
lässt sich darüber ausrechnen. Am Beispiel eines 300 MHz-Spektrometers (B0 = 7,05 T,
T = 300 K) gibt folgende Rechnung den Besetzungsunterschied zwischen dem energiereicheren und dem energieärmeren Niveau für Protonen (γ = 26,7522 · 107 rad T−1 s−1 ) an:
26
4 Verwendete Methoden
−∆E
∆E
Nβ
γ · B0 · h̄
= e kB ·T ≈ 1 −
=1−
Nα
kB · T
kB · T
(4.4a)
Nβ = 0, 99995 · Nα
(4.4b)
Nβ
Nα
kB
: Besetzung des energiereichen Niveaus
: Besetzung des energiearmen Niveaus
: Boltzmann-Konstante (1,3805 · 10−23 J K−1 )
T
: Temperatur
Die Kernspins sind in der klassischen Betrachtungsweise nicht genau auf der z-Achse
ausgerichtet, sondern führen eine Präzessionsbewegung um die z-Achse aus. Sie verhalten
sich also wie Kreisel, deren Winkel durch die Quantelung der Energiezustände jedoch
nur bestimmte Werte annehmen kann. Die Frequenz mit der die Spins präzidieren wird
als Larmor-Frequenz νL bezeichnet. Diese ist direkt proportional zur Energiedifferenz der
Zeeman-Niveaus, was aus Gleichung 4.5a hervorgeht. Durch Umstellen und Einsetzen von
Gleichung 4.3 lässt sich Gleichung 4.5b erhalten, welche als Resonanzbedingung bezeichnet
wird.
h
νL
∆E = h · νL
γ · B0
νL = 2 · π
(4.5a)
(4.5b)
: Planck’sches Wirkungsquantum (h = h̄ · 2 · π = 6,626 070 04 · 10−34 J s)
: Larmor-Frequenz
Um die Übergänge zwischen den verschiedenen Niveaus anzuregen, wird elektromagnetische Strahlung auf die Probe eingestrahlt. Diese liegt im Bereich von Radiowellen mit Größenordnungen von einigen 10 – 100 MHz. Die Dauer des Einstrahlens liegt normalerweise
im Bereich von wenigen µs, weswegen von Radiofrequenzpulsen (RF-Pulsen) gesprochen
wird. Das bedeutet, es wird Energie absorbiert und sämtliche Spins in der Probe kehren
sich um und besetzen somit nun vermehrt das höhere Zeeman-Niveau. Bei einer Gleichbesetzung der Niveaus (Sättigung) kann kein Signal detektiert werden. In der Praxis kehrt
man die Spins aber nicht um 180◦ um, sondern nutzt sogenannte 90◦ -Pulse. Damit kippen
die Spins von der z-Achse in die x-y-Ebene und rotieren dort mit der Larmor-Frequenz.
Für eine mathematisch einfachere Betrachtung wird angenommen, dass sich das Koordinatensystem, in dem sich die zu betrachtenden Kernspins befinden und um die z-Achse
rotieren, selbst mit einer Frequenz in der Größenordnung der Larmor-Frequenz dreht.
Damit ändern sich die Koordinaten x und y in x’ und y’. Erfolgt die Einstrahlung eines
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
27
90◦ -Pulses aus Richtung der x’-Achse, so befindet sich die Gesamtmagnetisierung danach
auf der y’-Achse. Diese sogenannte Quermagnetisierung oder transversale Magnetisierung induziert in der Empfängerspule einen elektrischen Strom, der dann als eigentliches
Signal aufgezeichnet wird. Aufgrund dieser Tatsache wird deutlich, warum immer leistungsstärkere Spektrometer entwickelt werden. Durch ein stärkeres Magnetfeld erhöht
sich der Energieunterschied zwischen den Zeeman-Niveaus und damit gleichermaßen der
Besetzungsunterschied zwischen diesen. Durch die Anregung wird eine größere Quermagnetisierung erzeugt und ein stärkerer Strom induziert, was die Signalstärke und dadurch
die Messempfindlichkeit erheblich steigert.
Anschließend kann das System die Quermagnetisierung auf zwei verschiedenen Wegen abbauen, was als Relaxation bezeichnet wird. Die Rückkehr der Kernspins in das thermische
Gleichgewicht wird longitudinale Relaxation genannt, wobei der Abbau der Quermagnetisierung durch erneutes Ausrichten der Spins in z-Richtung erfolgt. Die Dauer dieses
Prozesses wird mit der Größe T1 -Zeit bestimmt. Sie beeinflusst maßgeblich, wie oft in
einer bestimmten Zeit der RF-Puls auf die Probe eingestrahlt werden kann, da es bei zu
kurzen Wartezeiten zwischen zwei Scans zu einer Sättigung kommen kann. Das bedeutet,
dass kein Signal mehr detektierbar wäre. Bei der so genannten Spin-Spin-Relaxation oder
transversalen Relaxation kommt es zu einem Abbau von Quermagnetisierung aufgrund der
Dephasierung der Kernspins. Damit nimmt die Gesamtmagnetisierung in der x-y-Ebene
ab. Dadurch nimmt das aufgezeichnete Signal im Laufe der Zeit in Form einer gedämpften
Schwingung ab, weshalb von freiem Induktionszerfall (FID - engl.: free induction decay)
gesprochen wird. Die effektive Relaxationszeit T2 setzt sich dabei nach Gleichung 4.6 aus
zwei Teilen zusammen.
1
1
1
= entrop + inhomo
T2
T2
T2
T2
: effektive Relaxationszeit
T2entrop
T2inhomo
: Relaxationszeit durch entropische Effekte
: Relaxationszeit durch Inhomogenitäten
(4.6)
Der Anteil, der auf entropischen Prozessen basiert, lässt sich wie folgt erklären. Durch das
fluktuierende Magnetfeld wird Energie von einem Kern auf einen anderen Kern übertragen. Dadurch wechseln sie ihre Plätze vom energiereicheren zum energieärmeren Zustand
und umgekehrt. Dies geschieht unter Energieerhaltung, jedoch geht die Phasenbeziehung
verloren. In Abbildung 4.3 ist der Einfluss von Inhomogenitäten auf die Kernspins schematisch dargestellt. Nach dem Einstrahlen des RF-Pulses liegt die Gesamtmagnetisierung
in der x’-y’-Ebene. Die Larmor-Frequenz ist jedoch nicht für alle Kernspins überall in der
Probe gleich groß. Dadurch rotieren einige Kernspins schneller und andere langsamer und
es kommt zu einem Auffächern der Kernspins und einer Abnahme der Quermagnetisierung.
28
4 Verwendete Methoden
A)
B)
z
C)
z
y´
z
y´
y´
x´
x´
x´
Abb. 4.3: Schematische Darstellung der Auffächerung der Kernspins.[151]
Die T2 -Relaxationszeit hat einen direkten Einfluss auf die Signalqualität. Je kürzer sie ist,
umso breiter werden die NMR-Signale und umgekehrt.
Bei den bisherigen Betrachtungen würden alle beobachtbaren Atome einer Sorte nur ein
Signal aufweisen. Jedoch induzieren auch Elektronen ein Magnetfeld, was auf die zu beobachtenden Kerne einwirkt. Dadurch kann es zu sogenannten positiven oder negativen
Abschirmung der Atomkerne kommen. Das effektive Magnetfeld am Kern unterscheidet sich dann vom extern angelegten Magnetfeld um dieses induzierte Feld (Gleichung
4.7). Aufgrund dieses Unterschiedes kommt es zu charakteristischen Verschiebungen der
Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der chemischen/elektronischen Umgebung des
Atomkerns. Somit lassen sich Rückschlüsse auf benachbarte Gruppen im zu untersuchenden Molekül ziehen.
Beff = B0 − σ · B0
Beff
: effektives Magnetfeld am Kern
σ
: Abschirmungskonstante
(4.7)
Zur Vergleichbarkeit von Spektren, die an unterschiedlichen Geräten gemessen wurden,
wird die Resonanzfrequenz auf die Messfrequenz des Spektrometers bezogen, wodurch die
geräteunabhängige chemische Verschiebung δ erhalten wird.
δ=
νx − νRef
· 106 ppm
νRef
δ
νx
: chemische Verschiebung
: Resonanzfrequenz eines Atomkerns X
νRef
: Resonanzfrequenz der Referenz
(4.8)
Des Weiteren werden die gemessenen Verschiebungswerte auf einen Standard bezogen.
Dafür dient in Proben mit organischen Lösungsmitteln das Tetramethylsilan (TMS) bzw.
in Proben mit Deuteriumoxid Natriumtrimethylsilylpropionat (TSP) oder 4,4-Dimethyl4-silapentan-1-sulfonsäure (DSS). In 1H-Spektren wird das Signale der Protonen der Methylgruppen am Silicium auf 0 ppm kalibriert. Außerdem werden die 13C- und 29Si-Signale
29
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
in den entsprechenden Spektren ebenfalls auf 0 ppm kalibriert. Die Strukturen der oben
genannten Standard-Verbindungen sind nachfolgende in Abbildung 4.4 abgebildet.
CH3
H3C
Si
H3C
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
(1)
O
OH
S
O
H3C
(2)
CH3
Si
CH3
O
OH
(3)
Abb. 4.4: Strukturen der verwendeten NMR-Standard-Verbindungen im 1H-NMR 1)
TMS, 2) DSS und 3) TSP.
Die Wechselwirkung zwischen sowohl homo- als auch heteronuklearen, benachbarten Kernen, die das Magnetfeld der jeweiligen Nachbarkerne beeinflussen, führt zu verschiedenen
Feinaufspaltungen der Signale. Durch diese sogenannten skalaren Kopplungen lassen sich
ebenfalls Aussagen über die Nachbarschaft der betreffenden Signale treffen. Das lässt sich
durch die Wechselwirkung zweier benachbarter Kerne in Abhängigkeit ihrer Orientierungen im Magnetfeld erklären. Wenn Kern A sich parallel zum Magnetfeld ausgerichtet hat,
kann Kern X entweder parallel oder antiparallel vorliegen. Kern X induziert in beiden
Fällen ein Magnetfeld, welches mit Kern A wechselwirkt, jedoch mit unterschiedlichen
Vorzeichen. Daher kommt es, dass die Resonanzfrequenz auf der einen Seite etwas zu
niedrigeren und auf der anderen Seite zu etwas höheren Frequenzen verschoben ist. Da
die Verteilung der parallelen und antiparallelen Ausrichtung von X in der Probe, wie oben
beschrieben, ungefähr gleichgroß ist, erscheinen zwei Signale annähernd gleicher Intensität. Damit wird ein Dublett als Signal erhalten. Dieser Gedanke lässt sich auf beliebig
viele Nachbarkerne X ausweiten, und man erhält bei zwei äquivalenten Nachbarn Tripletts,
bei drei äquivalenten Nachbarn Quartetts usw. Eine Veranschaulichung ist nachfolgend
in Abbildung 4.5 dargestellt. Sollten die koppelnden Kerne nicht chemisch/elektronisch
äquivalent sein, kommt es zu weitaus komplexeren Aufspaltungen. Des Weiteren kann es
zu Spektren höherer Ordnung kommen, in dem noch weitere Feinaufspaltungen in den
Signalen zu finden sind.
A)
B)
1:1
C)
1:2:1
1:3:3:1
Abb. 4.5: Darstellung der Anordnung der benachbarten Kernspins und die daraus resultierenden Multiplett-Intensitäten bei A) Dubletts B) Tripletts und C)
Quartetts.
30
4 Verwendete Methoden
Die dritte Größe, zumindest in einem 1H-NMR-Spektrum, die Informationen liefert, ist
die Intensität bzw. das Integral der Signale. Darüber lassen sich Aussagen über die Anzahl
der äquivalenten Protonen treffen, die dieses Signal erzeugen. Mit den Informationen aus
der chemischen Verschiebung, der Feinaufspaltung und der Integrale können Hinweise auf
die Nachbarschaft der Kerne erhalten werden, womit die Strukturaufklärung unbekannter
Verbindungen betrieben werden kann oder bekannte Verbindungen zugeordnet werden
können.
4.1.2 Gepulste Feldgradienten und stimulierte Echos
Nachdem im vorherigen Abschnitt das allgemeine, physikalische Prinzip ausführlich beschrieben wurde, soll in diesem Kapitel die in dieser Arbeit verwendete NMR-Methode zur
Bestimmung von Diffusionskoeffizienten mit Hilfe von stimulierten Echos (STE - engl.:
stimulated echo) und gepulsten Feldgradienten (PFG - engl.: pulsed field gradient) detaillierter betrachtet werden. Feldgradienten stellen in der modernen NMR-Spektroskopie
eine etablierte Methode dar und finden Anwendung, wie beispielsweise für die Untersuchung von Transportprozessen, für die Unterdrückung von Lösungsmittel-Signalen, zur
Auswahl erwünschter bzw. Unterdrückung unerwünschter Kohärenzordnungen oder zur
Spektrenvereinfachung.[152–155]
Wird ein konstanter Feldgradient parallel zu B0 verwendet, so führt dies zu einem linear
variierendem, effektiven Magnetfeld entlang der z-Achse. Als Konsequenz ergibt sich eine Inhomogenität des Magnetfeldes aus der eine ortsabhängige Larmor-Frequenz (ν(z))
resultiert.
ν(z) = νL + γ · g · z
ν(z)
g
: Larmor-Frequenz in Abhängigkeit der z-Position
: Feldgradientenstärke
z
: Position in der Probe in z-Richtung
(4.9)
Abbildung 4.6 stellt den Einfluss eines Gradienten in z-Richtung auf die transversale
Magnetisierung in der x-y-Ebene dar. Zusätzlich zu den Effekten der T2 -Relaxation rotieren einige Kernspins schneller als das rotierende Koordinatensystem, während andere
langsamer rotieren. Dies im Gegenzug zur T2 -Relaxation allerdings in Abhängigkeit ihrer z-Position im effektiven Magnetfeld B(z). Damit kommt es zu einem ortsabhängigen
Verlust der Phasenkohärenz der Kernspinvektoren in der x-y-Ebene (Dephasierung Φ(z)).
Damit sinkt die resultierende Intensität des NMR-Signals. Neben der Stärke des Gradienten (g) hat auch seine Dauer (δ) einen direkten, proportionalen Einfluss auf die Dephasierung. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Markierung der Position eines Kernspins
im Magnetfeld, bezogen auf die z-Achse.
31
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
z
0
y
x
B0
B(z)
Abb. 4.6: Schematische Darstellung der Dephasierung während eines Gradienten in zRichtung.[156]
Neben den Gradienten benötigt man zur Messung von Diffusionskoeffizienten mittels
NMR-Spektroskopie noch die Techniken der Spin-Echos (SE)[157] bzw. stimulierten Echos
(STE)[158] . Im Laufe der Zeit wurde eine Vielzahl von Pulssequenzen zur Diffusionsmessung entwickelt, deren Grundprinzip jedoch immer auf dem PFG-SE- bzw. dem PFGSTE-Impulsverfahren beruht.[159–162]
Eine schematische Darstellung der grundlegenden PFG-STE-Pulsfolge und sowie der Spindynamik zeigt die Abbildung 4.7. Für eine einfachere Betrachtung werden an dieser Stelle
die Effekte der T2 -Relaxation vernachlässigt, da diese durch das stimulierte Echo ausgelöscht werden. Im ersten Schritt wird ein 90◦ -Puls aus x-Richtung eingestrahlt, der eine
Quermagnetisierung in der x′ -y ′-Ebene erzeugt. Alle Spins weisen zu diesem Zeitpunkt
noch Phasenkohärenz auf. Darauf folgt der erste gepulste Feldgradient, während dem die
Kerne eine ortsabhängige Phasenverschiebung erfahren. Dadurch zeigen die Kernspins
eine helikale Anordnung. Anschließend folgt der zweite 90◦ -Puls aus x-Richtung, durch
den die Kernspins in die x′ -z-Ebene gedreht werden. Hierdurch kommt es zur Speicherung der Ortsinformationen, da die Phasenverschiebung von T2 unabhängig ist. Die xund y-Komponenten der Spins relaxieren zwar durch T2 -Relaxation, jedoch bleibt die
z-Komponente hierdurch unbeeinflusst. Nach diesem Prozess liegen die Spins auf der
z-Achse in z- und −z-Richtung und tragen noch immer die Information der Phasenverschiebung durch die Larmor-Frequenz. Nach dem dritten 90◦ -Puls aus −x-Richtung wird
wieder Quermagnetisierung in der x′ -y ′-Ebene erzeugt, wodurch nach dem zweiten Gradienten das Echo erhalten und detektiert werden kann. Wenn sämtliche Spins der Probe
ortsfest sind, so ist das Echo-Signal maximal. Erfahren die Kernspins im Zeitraum ∆ eine Diffusion in z-Richtung, so wird sich die Phasenverschiebungen während des zweiten
Gradientenpulses von der ersten unterscheiden. Damit kommt es nicht zur vollständigen
Phasenkohärenz und damit zur Abschwächung des Signals. Dies kann beispielsweise zur
32
4 Verwendete Methoden
Unterdrückung von Lösungsmittel-Signalen angewendet werden, wenn die Lösungsmittelmoleküle viel schneller als die Moleküle der zu untersuchenden Substanz diffundieren.
Dadurch erfahren sie eine viel größere Dephasierung und ihre Signalintensität verschwindet, während die Signale der Probe nur leicht gedämpft werden.
t1
1
t2
90°x
H
t1
90°-x
90°x
D
gz
d
g
a
b
a)
z
x‘
c)
z
y‘
d
c
b)
x‘
d)
z
y‘
x‘
z
y‘
x‘
y‘
Abb. 4.7: A) Schematische Darstellung einer PFG-STE-Pulssequenz und B) Schematische Darstellung der Spindynamik.
Mathematisch lässt sich die gradientenabhängige Dämpfung der transversalen Magnetisierung mit Gleichung 4.10 beschreiben. Dabei wird angenommen, dass nur normale
Diffusion vorliegt.
E(q, t) =
I(q, t)
2
= e−D·q ·t
I(0, t)
E(q, t)
I(q, t)
I(0, t)
: Dämpfung der Magnetisierung
: Intensität mit Gradient
: Intensität ohne Gradient
D
q
: Diffusionskoeffizient
: Gradientenwirkung (γ · g · δ)
(4.10)
Die Bestimmung der molekularen Selbstdiffusion ist prinzipiell durch die Variation der
Fläche der Gradienten (q) möglich. Demnach können g oder δ variiert werden. Die Arbeiten laufen in der Praxis meist unter variabler Gradientenstärke ab, und es wird die Dauer
33
4.1 Kernmagnetresonanzspektroskopie
des Gradienten δ konstant gehalten, wodurch der Einfluss der Relaxationseffekte auf die
Dämpfung des NMR-Signals konstant gehalten werden kann. Das Ergebnis einer solchen
Messung ist eine Reihe von NMR-Spektren (pseudo-2D-Spektrum) in denen die Signalintensität von der Gradientenstärke abhängig ist. In Abbildung 4.8 ist beispielhaft die
Dämpfung des 1H-NMR-Signals einer D2 O-Probe, in der sich 1 % Wasser befindet, dargestellt. Der Diffusionskoeffizient lässt sich daraus durch nichtlineare Kurvenanpassung der
funktionalen Zusammenhänge in Gleichung 4.10 an die experimentelle Signaldämpfung
E(q, t) berechnen.
1,0
0,8
0,6
I(g)
32,03
0,4
-1
g / G cm
0,34
5,0 4,9 4,8 4,7 4,6
ppm
0,2
0,0
0
10
20
30
40
-1
g / G cm
Abb. 4.8: Dämpfung des 1H-NMR-Signals von Wasser (1 % H2 O in D2 O) in Abhängigkeit
der Gradientenstärke g während eines Diffusionsexperimentes: (a) pseudo-2DNMR-Spektrum und (b) monoexponentieller Fit nach Gleichung 4.10.
Eine zweite mathematische Methode zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten einer
Komponente wurde von Stejskal und Tanner entwickelt. Dazu wird Gleichung 4.10 zunächst logarithmiert, und anschließend wird für q = γ · d · δ und für t = ∆ − 3δ eingesetzt.
Damit ergibt sich die der Zusammenhang aus Gleichung 4.11:
ln
δ
I(g)
= −D · γ 2 · g 2 · δ 2 · (∆ − ) = −b · D
I(0)
3
∆
: Diffusionszeit
δ
: Dauer des Gradienten
(4.11)
Wie bereits beschrieben stellen γ, ∆ und δ während der Messung Konstanten dar, während
die Gradientenstärke variiert wird. Durch Zusammenfassen dieser Werte zu der Variablen
b herrscht eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Logarithmus der relativen Signalintensität und dem Diffusionskoeffizienten. Eine Auftragung der Daten ergibt somit eine
abfallende Gerade, deren Steigung dem negativen Diffusionskoeffizienten entspricht. Die
Methode eignet sich entweder für eine einzelne Komponente oder für Mischungen, deren
Diffusionskoeffizienten sich genügend unterscheiden, da es ansonsten zu einem gemittelten
34
4 Verwendete Methoden
Wert für D kommt. Mit dem Diffusionskoeffizienten kann mit Hilfe der Stokes-EinsteinBeziehung (Gleichung 4.12) die Größe eines Moleküls oder Partikels berechnet werden.
Dabei ist zu beachten, dass diese Gleichung nur für sphärische Partikel gültig ist.
dH =
kB · T
3·π·η·D
dH
: hydrodynamischer Partikeldurchmesser
η
: Viskosität der Flüssigkeit
(4.12)
Bei einer moderneren Variante, der diffusionsgewichteten NMR-Spektroskopie (DOSY engl.: diffusion-ordered spectroscopy), erhält man ein zweidimensionales Spektrum, in dem
die chemische Verschiebung in Abhängigkeit vom Diffusionskoeffizienten aufgetragen ist.
Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Mischungen auf der Basis verschiedener Diffusionskoeffizienten der Komponenten in ihre Bestandteile zu zerlegen und sich für jede Komponente
einzeln das 1H-NMR-Spektrum anzusehen. Des Weiteren ist es mit modernen Pulssequenzen möglich, solche DOSY-Messungen zusätzlich auch mit anderen Messungen wie
beispielsweise COSY (engl.: correlated spectroscopy), NOESY (engl.: nuclear overhauser
enhancement and exchange spectroscopy), TOCSY (engl.: total correlated spectroscopy)
oder HMQC (engl.: heteronuclear multi quantum coherence) zu kombinieren und damit
dreidimensionale NMR-Spektroskopie zu betreiben.[160,163]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Die 1H-NMR- der Liganden wurden an einem Avance 300 Spektrometer oder einem DPX
300 Spektrometer aufgenommen. Die 1H, 13C-NMR-, 1H, 1H-COSY- und HSQC-Spektren
wurden an einem Avance III 600 MHz Spektrometer von Bruker aufgenommen. Die DOSYSpektren wurden an einem DRX 500 Spektrometer von Bruker aufgenommen.
35
4.2 Atomabsorptionsspektroskopie
4.2 Atomabsorptionsspektroskopie
Theoretischer Hintergrund
Die Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) ist eine spektralanalytische Methode, mit der
sowohl qualitative, als auch quantitative Bestimmungen von Elementen möglich sind.
Die physikalische Grundlage dieser Methode ist die Absorption von elektromagnetischer
Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts durch den Analyten in der Gasphase. Wenn in der Gasphase ein Lichtquant von einem Atom in einem angeregten Zustand emittiert wird, so kann dieses von einem anderen Atom des gleichen Elementes
im Grundzustand erneut absorbiert werden. Wird die Probe in der Gasphase mit polychromatischem Licht bestrahlt, so kommt es durch die Absorption von Licht bestimmter
Wellenlängen zu einem eindeutigen Linienspektrum, das für jedes Element spezifisch ist,
da jedes Element charakteristische Energien für die Anregung von Elektronensprüngen
innerhalb der äußeren Elektronenhüllen aufweist. Für die Atomabsorptionsspektroskopie
werden elementspezifische Hohlkathodenlampen verwendet, da diese diskrete Wellenlängen aussenden. Die Kathoden solcher Lampen sind aus dem jeweils zu untersuchenden
Element gefertigt und erzeugen ein Emissionsspektrum mit hoher Intensität. Mit Hilfe
dieser Lampen erreicht die AAS eine hohe Selektivität. Für die Messung wird die Probe
zunächst atomisiert, indem sie beispielsweise in einer Luft-Acetylen-Flamme oder elektrothermisch in einem Graphitrohrofen thermisch zersetzt wird. Anschließend wird sie
in der Gasphase mit Licht bestrahlt. Durch die Absorption des Analyten sinkt die Intensität des elektromagnetischen Strahls und diese Abnahme wird mit einem Detektor
gemessen. Für eine quantitative Bestimmung müssen vor der Messung Kalibrationsmessungen von Proben unterschiedlicher, bekannter Konzentrationen aufgenommen werden.
Anschließend lässt sich mit Hilfe des Lambert-Beerschen Gesetzes die Konzentration des
Analyten berechnen. (Gleichung 4.13). Das Gesetz besagt, dass die Absorption proportional zur Konzentration des Analyten ist.[164,165]
A = ε · c · d = lg
A
ε
: Spektrales Absorptionsmaß
: Absorptionskoeffizient
c
d
: Konzentration des absorbierenden Stoffs
: Schichtdicke des durchstrahlten Mediums
I0
I
: Lichtintensität ohne Analyt
: Lichtintensität mit Analyt
I0
I
(4.13)
36
4 Verwendete Methoden
Verwendete Geräte und Spezifikationen
AAS-Messungen wurden im Labor für Mikroanalytik der Fakultät für Chemie an der Universität Duisburg-Essen nach DIN EN lSO/lEC 17025:2005 mit einem Thermo Electron
MSeries Spektrometer mit Graphitrohr durchgeführt. Die Analyten wurden vor den Messungen in 10 mL Reinstwasser dispergiert und mit Königswasser aufgeschlossen. Sämtliche
Bestimmungen wurden mindestens dreifach durchgeführt.
37
4.3 Massenspektrometrie
4.3 Massenspektrometrie
Theoretischer Hintergrund
Dank der Massenspektrometrie ist es möglich, die genaue Molmasse von Verbindungen zu
bestimmen. Ebenfalls können durch die Fragmentierung eines Moleküls Rückschlüsse auf
seine Zusammensetzung und Struktur gezogen werden.
Die Messung lässt sich in vier Schritte unterteilen. Als erstes wird die Probe in das
Gerät überführt, in dem ein Hochvakuum herrscht, um Zusammenstöße der geladenen
Ionen mit Luftmolekülen zu unterbinden. Dem vorangestellt ist meist eine chromatographische Säule, durch die die Bestandteile der Probe aufgetrennt werden. Dies kann
entweder im flüssigen Zustand (LC - engl.: liquid chromatography) oder im gasförmig
Zustand erfolgen (GC - engl.: gas chromatography) erfolgen. Die Fraktionen der Probe werden anschließend ionisiert. Dazu gibt es je nach Probe verschiedene Möglichkeiten wie Elektronenstoß-Ionisation (EI), Elektronensprüh-Ionisation (ESI) oder Matrixunterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI - engl.: matrix-assisted laser desorption/ionization). Im dritten Schritt erfolgt die Trennung der Ionen nach der Masse durch
ein elektrisches Feld. Abschließend werden die detektierten Signale verarbeitet und ein
Massenspektrum erstellt, welches digital ausgewertet werden kann.[164–166]
Detektion
Ionisationskammer
+
+
Probenzufuhr
Computer
+
+
+
+
Blendensystem
Schleuse
Einlass
Vakuumpumpe
+
+
+
+
Spektrum
+
+
+
+ +
+
+
Ionenerzeugung
Hochvakuum
Ionentrennung
Datenverarbeitung
Abb. 4.9: Schematischer Aufbau eines Massenspektrometers.[166]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
38
4 Verwendete Methoden
4.4 Infrarot-Spektroskopie
Theoretischer Hintergrund
Mit Hilfe der Infrarotspektroskopie ist eine Identifizierung von funktionellen Gruppen organischer Moleküle möglich. Hierbei handelt es sich um eine absorptionsspektroskopische
Methode, bei der die Moleküle der Probe mit infrarotem Licht bestrahlt werden. Diese ändern nach der Absorption der Strahlung ihre Schwingungszustände. Molekülschwingungen
können mit dem klassischen Hantelmodell beschrieben werden, in dem zwei Atome oder
Molekülfragmente mit den jeweiligen Massen m1 und m2 durch eine Feder miteinander
verbunden sind (Abbildung 4.10). Aufgrund der Anregung von Schwingungen werden die
beiden Atome aus ihrer Gleichgewichtslage r0 ausgelenkt.
k
m1
m2
m1
m2
x1
r0
x2
Abb. 4.10: Hantelmodell eines zweiatomigen Moleküls im Gleichgewichtszustand r0 und
im ausgelenkten Zustand.
Nach dem Hook’schen Gesetz wirkt dieser Auslenkung eine Rückstellkraft F entgegen,
was zu einer Schwingung der Atome um die Gleichgewichtslage führt (Gleichung 4.14).
Die Kraftkonstante k stellt ein Maß für die Stärke der Bindung zwischen den beiden
schwingenden Atomen dar.
F = −k · ∆r
F
: Rücktreibende Kraft
k
∆r
: Kraftkonstante
: Auslenkung
(4.14)
Um Molekülschwingungen anregen zu können, muss sich das Dipolmoment des Moleküls durch die Wechselwirkung mit der infraroten Strahlung ändern. Nur dann besitzen Moleküle oder Verbindungen infrarotaktive Schwingungen und können mittels IRSpektroskopie untersucht werden. Bei Raumtemperatur sind nahezu ausschließlich die
39
4.4 Infrarot-Spektroskopie
Schwingungsgrundzustände besetzt, was dazu führt, dass durch die Absorption des infraroten Lichts energetisch höherer Schwingungszuständen angeregt werden. Diese sind durch
3N − 6 (bei linearen Molekülen 3N − 5) Schwingungsfreiheitsgrade definiert, wobei N für
die Zahl der Atome im Molekül steht. Völlig unabhängig voneinander anregbare Schwingungen, die von allen anderen Schwingungen des Moleküls entkoppelt sind, bezeichnet
man als Normalschwingungen. Als Einheit zur Beschreibung von IR-Spektren hat sich
die Wellenzahl durchgesetzt, die in cm−1 angegeben wird. Sie hat den Vorteil, dass sie
direkt proportional zur Frequenz und damit auch zu Energie der verwendeten Strahlung
ist. Mathematisch ergibt sich die Wellenzahl aus der folgenden Gleichung 4.15, wobei die
Wellenlänge in cm angegeben wird. Es ist also ein Maß dafür, wie viele Sinuswellen auf
1 cm kommen. In einem IR-Spektrum liegen die Werte der Wellenzahlen typischerweise
zwischen 400 und 4000 cm−1 , was einer Wellenlänge von 2,5 – 25 µm entspricht.[164–167]
ν̃ =
ν̃
1
λ
(4.15)
: Wellenzahl
Die wichtigsten Schwingungsarten für die Charakterisierung eines Moleküls durch Infrarotspektroskopie sind die Valenz- und Deformationsschwingungen. In einem InfrarotSpektrum findet man bei Wellenzahlen über 1000 cm−1 charakteristische Banden für bestimmte funktionelle Gruppen. Im Wellenzahl-Bereich unter 1000 cm−1 , dem sogenannten
Fingerabdruck-Bereich, zeigen sich dagegen für das Molekül charakteristische Schwingungen des gesamten Molekülgerüsts.
Das Fourier-Transformations-IR-Spektrometer (FT-IR) stellt die gängigste Methode zur
Aufnahme von IR-Spektren dar. Im Gerät wird die Infrarot-Strahlung durch thermische
Anregung eines Nernst-Stifts erzeugt und durch ein Michelson-Interferometer auf die Probe gelenkt. Im Michelson-Interferometer wird die IR-Strahlung durch einen Strahlteiler
geleitet. Darauf trifft die Strahlung auf der einen Seite auf einen arretierten und auf
der anderen Seite auf einen zweiten, über einen Mikrometerschlitten beweglichen Spiegel. Nach der Reflexion der Strahlung an den Spiegeln wird 50 % der gesamten Strahlung
über den halbtransparenten Spiegel durch die Probe geleitet. Hinter der Probe befindet
sich dann der Detektor, der die Intensität der interferierenden Strahlung in Abhängigkeit
vom Spiegelvorschub des beweglichen Spiegels misst. Die so erhaltenen Interferogramme,
welche die Absorption der Probe in Abhängigkeit von Wellenlänge und Intensität enthalten, werden anschließend durch eine Fourier-Transformation in Transmissions- oder
Absorptionsspektren umgerechnet.
Bei der abgeschwächten Totalreflexion-Spektroskopie (ATR - engl.: attenuated total reflexion) handelt es sich um eine spezielle Form der IR-Spektroskopie. Der Analyt weist hier
typischerweise eine starke Absorption auf und kann sowohl als Feststoff als auch in Lösung
untersucht werden. Die Probe kommt dazu auf einen Kristall aus optisch sehr dichtem, für
40
4 Verwendete Methoden
IR-Strahlung durchlässigem Material. Dazu eignet sich beispielsweise Diamant, IRTRAN4 (ZnSe) oder KRS-5 (TlBrI) und wird mit einem Stempel fest auf die Oberfläche des
ATR-Kristalls gepresst. Der ATR-Kristall besitzt einen sehr viel größeren Brechungsindex
n1 als die Probe n2 . Dadurch kann durch Einstrahlen der infraroten Strahlung in einem
bestimmten Winkel auf die Probe die Strahlung zu einem Bruchteil der Wellenlänge (0,5 –
5 µm) in die Probe eindringen und wird unter innerer Totalreflexion zurückgeworfen. Die
abgeschwächte Totalreflexion entsteht durch die Wechselwirkungen der einfallenden Strahlung mit der Probe. Durch frequenzabhängige Absorptionen wird die Intensität der total
reflektierten Strahlung verringert. Aufgrund der geringen Eindringtiefe sind die Banden
im Bereich höherer Wellenzahlen in ATR-Spektren von wesentlich geringerer Intensität
als im Transmissions-IR-Spektren. Dagegen führt dieser Effekt gleichzeitig zu einer sehr
hohen Oberflächensensitivität der ATR-Spektroskopie.[164–167]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
FT-IR Spektren wurden mit einem Bruker Alpha-Platinum FTIR mit Probenaufnehmer
für abgeschwächte Totalreflexionsmessungen (ATR) aufgezeichnet. Die Probe wurde mit
24 Scans zwischen 4000 und 400 cm−1 vermessen.
41
4.5 UV/vis-Spektroskopie
4.5 UV/vis-Spektroskopie
Theoretischer Hintergrund
Bei der UV/vis-Spektroskopie handelt es sich um eine absorptionsspektroskopische Methode, bei der die zu analysierende Probe mit Licht bestrahlt wird, welches aus dem ultravioletten (UV = 200 – 400 nm) und dem sichtbaren (vis = 400 – 800 nm) Wellenlängenbereich
stammt. Gemessen wird hierbei die Absorption von Substanzen in Abhängigkeit von der
eingestrahlten Wellenlänge. Dadurch können Informationen über elektronische Eigenschaften und funktionelle Gruppen erhalten werden. Der Analyt wird typischerweise in einer
Küvette aus Quarzglas in den Strahlengang gebracht. Quarz ist für die entsprechenden
Wellenlängen durchlässig und daher als Material geeignet. Eine Deuterium- oder Xenonlampe dient als Lichtquelle, deren Strahlen zunächst durch einen Monochromator geleitet
werden und anschließend über einen Sektorspiegel abwechselnd durch die Probe und eine
Referenz-Küvette gehen. In der Referenz-Küvette befindet sich das reine Lösungsmittel,
in dem auch die Probe gelöst ist. Am Detektor werden die beiden Strahlengänge vereint
und die Intensitäten der beiden Signale aufgezeichnet, wodurch die Absorption der Probe
bestimmt wird. Mit Hilfe des Monochromators lässt sich die Wellenlänge kontinuierlich
regeln.[164–167]
Küvette mit Probe
Lichtquelle
Monochromator
Detektor
PC zur
Auswertung
Küvette mit Referenz
Abb. 4.11: Schematischer Aufbau eines UV/vis-Spektrometers.[166]
Organische Moleküle absorbieren die Strahlung dann, wenn die eingestrahlte Wellenlänge der Energie eines elektronischen Übergangs entspricht. Die elektronischen Übergänge
finden zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital bestimmter funktioneller Gruppen des Moleküls statt (π → π* oder
n → π*). Unter Standardbedingungen befindet sich das Molekül im elektronischen und
im Schwingungsgrundzustand. Die Übergänge können sowohl in einen Schwingungsgrundzustand als auch in einen angeregten Schwingungszustand des elektronisch angeregten
Zustands erfolgen. Daher zeigen Absorptionsspektren keine schmalen Absorptionslinien
für diskrete Übergänge bzw. Wellenlängen, sondern besitzen breite Absorptionsbanden,
deren Intensitätsverteilung gemäß dem Franck-Condon-Prinzip gegeben ist. Die Absorption der Strahlung ist nach dem Lambert-Beer-Gesetz (Gleichung 4.13) direkt proportional
42
4 Verwendete Methoden
zur Konzentration des Analyten. Dadurch ist es möglich, nach einer Kalibrationsmessung,
absolute Konzentrationen zu bestimmen.[164–167]
Bestimmte Arten von Nanopartikeln weisen eine Oberflächenplasmonenresonanz auf und
lassen sich dadurch ebenfalls mittels UV/vis-Spektroskopie untersuchen. Bei diesem Phänomen werden durch die Absorption von elektromagnetischen Wellen die Oberflächenplasmonen angeregt. Die Lage des Maximums und die Form der Absorptionsbande geben
Hinweise auf die Morphologie, die Partikelgröße, die Dispersität und bestimmte Oberflächenvorgänge der Probe.
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Die UV/vis-Messungen wurden mit einem Varian Cary 300 UV/vis-Bio-Spektrometer
durchgeführt. Die verdünnte Probe wurde dazu in Suprasil-Quarzglasküvetten der Firma
Hellma mit 1 cm Schichtdicke und 3,5 mL Volumen gefüllt.
43
4.6 Fluoreszenzspektroskopie
4.6 Fluoreszenzspektroskopie
Theoretischer Hintergrund
Die Fluoreszenzspektroskopie ist wie die UV/vis-Spektroskopie eine absorptionsspektroskopische Methode. Auch hierbei werden die Analyten mit elektromagnetischer Strahlung
bestrahlt. Die Wellenlänge liegt typischerweise zwischen 200 und 1000 nm. Im Gegensatz
zur UV/vis-Spektroskopie wird bei dieser Methode die nach der Absorption auftretende
Emission der Probe aufgezeichnet. Der Analyt wird in eine Quarz-Küvette gefüllt und
anschließend in den Strahlengang gebracht. Das benötigte Licht wird beispielsweise mit
einer Xenon-Blitzlampe erzeugt. Mit Hilfe eines Monochromators (Anregungsmonochromator) wird die Anregungswellenlänge herausgefiltert. Danach durchläuft das Licht zur
Eliminierung von Streulicht, mehrere optische Gitter bevor es auf die Probe einstrahlt.
Die Fluoreszenz der Probe wird anschließend im Winkel von 90◦ detektiert. Hierzu ist
in rechtwinkliger Anordnung zum einfallenden Lichtstrahl ein Photovervielfacher hinter
einem weiteren Monochromator (Emissionsmonochromator) aufgebaut. Diese Anordnung
ist notwendig, da bei Messungen der Emission in Transmission das Licht der Anregungsstrahlung die Strahlung der Emission überlagern würde. Auch das emittierte Licht durchläuft einen Monochromator, um die zu detektierende Emissionswellenlänge gezielt wählen
und messen zu können. Ein schematischer Aufbau eines Fluoreszenzspektrometers ist
nachfolgend in Abbildung 4.12 gezeigt.[164,165,168]
Anregungsmonochromator
mit Doppelgitter
Xenon-Blitzlampe
Photovervielfacher
(PMT)
Emissionsmonochromator
PMT
Referenz
Shutter
Filter
Strahlteiler
Polarisator
Optisches
Modul
Probenkammer
Anzeige
Computer
λ
Abb. 4.12: Schematischer Aufbau eines Fluoreszenzspektrometers.[168]
44
4 Verwendete Methoden
Die möglichen elektronischen Übergänge werden mit Hilfe eines Jablonski-Termschemas
dargestellt. Eine schematische Darstellung ist in Abb. 4.13 zu sehen.
angeregte Singulett-Zustände
angeregter
Triplett-Zustand
interne Konversion
E
Spinumkehr
S2
S1
Absorption
S0
T1
Fluoreszenz
Phosphoreszenz
Vibrationsrelaxation
Abb. 4.13: Jablonski-Termschema zur Darstellung elektronischer Übergänge.
Die Anregung eines Elektrons aus dem elektronischen Singulett-Grundzustand S0 und den
dazugehörigen Vibrationszuständen erfolgt in Übereinstimmung mit dem Franck-CondonPrinzip innerhalb von etwa 10−15 s. Dabei kann eine Anregung zum einen in einen der angeregten Singulett-Zustände S1 , S2 , etc. erfolgen. Wenn das angeregte Elektron dagegen
einer Spinumkehr unterliegt, so erfolgt die Anregung in einen angeregten Triplett-Zustand
T1 , T2 , etc. Nachdem ein Molekül oder Partikel elektronisch angeregt wurde, kann es zu
drei unterschiedlichen Relaxationsvorgängen kommen. Das Molekül kann die absorbierte
Energie ohne Emission von Strahlung abgeben. Dabei wird die überschüssige Energie über
Vibrationen und Schwingungen abgebaut. Beispielsweise können Elektronen vom vibronischen Grundzustand S2 in einen angeregten Zustand von S1 übergehen. Dies ist möglich,
wenn diese Energieniveaus relativ nah beieinander liegen. Dieser Prozess wird als interne
Konversion bezeichnet. Die zweite Möglichkeit der Relaxation ist die Fluoreszenz, bei der
die Emission von Photonen unter Rückkehr der Elektronen aus den angeregten Zuständen
in den Grundzustand geschieht. Dieser Vorgang hat eine durchschnittliche Lebensdauer
von mehreren Nanosekunden. Die Anregung aus S0 erfolgt in der Regel in angeregte Vibrationsniveaus der Zustände S1 , S2 , etc. In diesem Zustand relaxieren die Moleküle über
Vibrationen innerhalb von 10−12 s in den vibronischen Grundzustand von beispielsweise
S1 . Die darauf folgende, strahlende Relaxation nach S0 kann ihrerseits in unterschiedliche vibronische Niveaus von S0 erfolgen. Diese Tatsache und die interne Konversion sind
die Ursache dafür, dass die bei der Fluoreszenz emittierte Strahlung eine geringere Energie bzw. eine größere Wellenlänge besitzt als die ursprünglich absorbierte Strahlung. Die
Differenz zwischen Anregungs- und Emissionswellenlänge wird als Stokes-Verschiebung
bezeichnet. Auch sind sie der Grund dafür, dass in einem Fluoreszenzspektrum breite
Banden auftreten und keine scharfen Peaks, wie es auch bei der UV/vis-Spektroskopie
der Fall ist. Als dritte Möglichkeit der Relaxation gibt es die Emission unter spinverbotener Rückkehr aus den angeregten Triplett-Zuständen in den Singulett-Grundzustand.
4.6 Fluoreszenzspektroskopie
45
Dieser Prozess wird Phosphoreszenz genannt und erfolgt aufgrund des Spinverbotes nur
sehr langsam, weswegen die Phosphoreszenz in der Regel schwächere Intensitäten aufweist als die Fluoreszenz. Die durchschnittliche Lebensdauer für diesen Vorgang beträgt
dagegen einige Millisekunden bis hin zu mehreren Minuten.[164,165,168]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Die Fluoreszenzspektren wurden mit einem Agilent Cary Eclipse Spektrophotometer aufgenommen. Als Küvette wurde eine Suprasil-Quarzglasküvette der Firma Hellma mit 1 cm
Schichtdicke und 3,5 mL Volumen verwendet.
46
4 Verwendete Methoden
4.7 Differentielle Zentrifugalsedimentation
Theoretischer Hintergrund
Die Differentielle Zentrifugalsedimentation (DCS - engl.: differential centrifugal sedimentation) ist eine hochauflösende Methode zur Bestimmung des Durchmessers von Partikeln
im Mikro- oder Nanometerbereich.
Die hohle Scheibe wird, während sie mit definierter, konstanter Geschwindigkeit rotiert,
mit einem Dichtegradienten beschickt, was eine Erhöhung der Auflösung bewirkt. Dieser
Gradient besteht aus wässrigen Zucker-Lösungen, die in unterschiedlichen Konzentrationen mit jeweils gleichen Mengen injiziert werden. Vor der Messung muss eine StandardProbe mit bekannter Größe, Dichte und schmaler Größenverteilung gemessen werden.
Dadurch kann die Sedimentationsgeschwindigkeit auf den Partikeldurchmesser kalibriert
werden. Dies muss vor jeder Messung einzeln geschehen, um den Verschleiß des Gradienten
zu berücksichtigen. Die in die Mitte der rotierenden Scheibe injizierten Partikel sedimentieren in Richtung des äußeren Scheibenrandes, wo sie von einem Laser durch Absorption
des Lichtes detektiert werden. Hierbei werden zuerst große Partikel gemessen, da diese
durch die Gravitationskräfte schneller sedimentieren als kleine Partikel.[169]
Detektor
Laserstrahl
Dichtegradient
Dichtungsring
Injektionsloch
Scheibe
Abb. 4.14: Schematischer Aufbau einer Scheibenzentrifuge in seitlicher Ansicht.
Das Messprinzip beruht auf dem Stokesschen Gesetz, mit dessen Hilfe man eine unbekannte Partikelgrößenverteilung in einem definierten Zentrifugalfeld bestimmen kann. Hierfür
wird die Sedimentationsgeschwindigkeit der Nanopartikel in einem flüssigen Medium gemessen, deren Dichte und Viskosität für die Rechnung benötigt werden. In der Regel
handelt es sich dabei um destilliertes Wasser. Um die sich ändernden g-Kräfte in Abhängigkeit zum Rotationsmittelpunkt zu bestimmen, muss die Stokessche Gleichung an den
Zentrifugationsvorgang angepasst werden. Die resultierende Gleichung zur Berechnung
der Partikelgröße ist nachfolgend angegeben.
4.7 Differentielle Zentrifugalsedimentation
d=
v
u
u
t
18 · η · ln RR0f
(ρp − ρf ) · ω 2 · t
d
Rf
R0
: Partikeldurchmesser
: Äußerer Radius der Rotation
: Innerer Radius der Rotation
ρp
ρf
: Dichte des Partikels
: Dichte des Dispersionsmediums
ω
t
: Winkelgeschwindigkeit
: Sedimentationszeit von R0 nach Rf
47
(4.16)
Wie aus der Gleichung hervorgeht, benötigt man für die Bestimmung der die Partikelgröße die Dichte der Partikel. Diese wird gleich der des makroskopischen Materials gesetzt.
Dadurch kommt es zu Verfälschungen der Messergebnisse, denn große Liganden wie etwa
voluminöse Polymere oder die Hydrathülle reduzieren die effektive Dichte des einzelnen
Nanopartikels. Unter diesen Umständen ist die gemessene Partikelgröße in der Regel kleiner als es der Partikel eigentlich ist. Dieser Effekt überkompensiert auch die Tatsache,
dass hier der hydrodynamische Durchmesser gemessen wird.[169]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Messungen mit der DCS wurden mit einer DC 24 000 Scheibenzentrifuge von CPS Instruments bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 24 000 U min−1 durchgeführt. Der Laser zur
Detektion der Partikel arbeitet mit einer Wellenlänge von 470 nm. Als Dichtegradient
wurden zwei Saccharose-Lösungen (8 Gew% und 24 Gew%) verwendet. Zur Stabilisierung
wurde der eingebrachte Gradient mit Dodekan überschichtet, um das Verdunsten des Wassers zu unterdrücken. Die Kalibration vor jeder Messung erfolgte mit einem Standard aus
Poly(vinylchlorid)latex in Wasser (CPS Instruments), der eine Partikelgröße von 483 nm
besitzt. Das Probenvolumen betrug in jeder Messung 100 µL.
48
4 Verwendete Methoden
4.8 Dynamische Lichtstreuung und Zetapotential
Theoretischer Hintergrund
Mit der dynamischen Lichtstreuung (DLS) lässt sich der hydrodynamische Durchmesser
dispergierter Partikel im Bereich von Nano- bis Mikrometer bestimmen. Die Methode beruht auf der Analyse des Streulichts eines Lasers, der auf die Probe eingestrahlt wird. Beim
Auftreffen des Laserstrahls auf die dispergierten Partikel tritt Rayleigh-Streuung auf. Auf
Grund der Brownschen Molekularbewegung der Partikel ändern sich sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität des gestreuten Laserlichts mit der Zeit. Diese Fluktuationen im
Streulichtmuster sind abhängig von der Partikelgröße und werden im Millisekunden-Takt
gemessen, woraus dann die Diffusionsgeschwindigkeit der Partikel im fluiden Medium bestimmt werden kann. Über die Stokes-Einstein-Beziehung (Gleichung 4.12) kann daraus
anschließend die Größe der Partikel errechnet werden.[66]
Mit Hilfe des zugehörigen Computerprogramms wird die Fluktuation über eine Autokorrelationsfunktion ausgewertet und mittels einer Kumulantenmethode in den durchschnittlichen hydrodynamischen Durchmesser der Partikel und die Breite der Größenverteilung
(Polydispersitätsindex, PDI) umgerechnet. Der PDI gibt den Fehler des z-Average an,
und es wird von einem monodispersen System gesprochen, wenn der PDI-Wert eines Systems ≤0,3 ist.[37] Die Software errechnet weiterhin über verschiedene Algorithmen (NNLS
- non-negative least squares oder CONTIN) die Intensitätsverteilung, die Volumenverteilung und die statistische Größenverteilung der Partikel.[170] Da für die Messung die
Annahme getroffen wird, dass es an den Partikeln zu Rayleigh-Streuung kommt, ist die
Streulichtintensität I vom Partikeldurchmesser zur sechsten Potenz abhängig, wie Gleichung 4.17 wieder gibt.
2·π
I0 1 + cos2 θ
·
I= 2·
R
2
λ
4
I
I0
: Lichtintensität nach dem Analyten
: Lichtintensität vor dem Analyten
R
θ
: Abstand zwischen Probe und Lichtquelle
: Streulichtwinkel
λ
n
: Wellenlänge des Lasers
: Brechungsindex des Kolloids
n2 − 1
·
n2 + 2
!2
d
·
2
!6
(4.17)
Dadurch ergibt sich das Problem, dass die Intensität kleinerer Partikel in Anwesenheit
weniger großer Partikel oder Agglomerate überdeckt wird und sich somit die Intensitätsverteilung sehr in Richtung der größeren Partikelradien verschiebt.[66,171]
Um das Zetapotential eines geladenen Partikels zu bestimmen, wird die elektrophoretische Mobilität gemessen, d.h. seine Beweglichkeit in einer Dispersion relativ zum Di-
4.8 Dynamische Lichtstreuung und Zetapotential
49
spersionsmedium. Dabei steht der Partikel unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Wechselfeldes, was durch das Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden
der Messküvette erzeugt wird. Das hat zur Folge, dass sich die Partikel zu der Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung bewegen. Hierbei stellt sich ein Gleichgewicht
zwischen der induzierten Bewegung in Richtung der Elektroden und der entgegengesetzt
wirkenden Viskosität der Dispersion ein. Mit Hilfe des Lasers, der auf die Küvette einstrahlt, wird das Streulicht detektiert, wodurch die Geschwindigkeit der Partikel gemessen
werden kann. Das resultierende Streumuster besitzt eine Fluktuation der Lichtintensität,
die proportional zur Geschwindigkeit der Partikelgeschwindigkeit ist. Vergleicht man nun
die Intensität mit der Intensität eines Referenzstrahls, so lässt sich die elektrophoretische Mobilität bestimmen. Anschließend wird die Henry-Gleichung (Gleichung 4.18) das
Zetapotential errechnet:
UE =
2 · ε · ζ · f (κa)
3·η
UE
ε
: elektrophoretische Mobilität
: Dielektrizitätskonstante des Dispersionsmediums
ζ
f (κa)
: Zetapotential
: Henry-Funktion
(4.18)
Die Henry-Funktion f(κa) enthält Informationen über den Partikelradius (a) und die Dicke der elektrischen Doppelschicht κ−1 , beziehungsweise die reziproke Debye-Länge κ. Im
Rahmen der sogenannten Smoluchowski-Näherung kann die Henry-Funktion f(κa) auf
1,5 gesetzt werden, wenn die Messung in wässrigen Medien bei moderaten Elektrolytkonzentrationen von mehr als 10−3 mol L−1 gemessen wird. Wenn Partikel in Medien mit
niedrigeren Dielektrizitätskonstanten als Wasser vorliegen, gilt die Hückel-Näherung, bei
der die Henry-Funktion auf den Wert 1,0 festgelegt ist.[171]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Die Analysen der DLS erfolgten mit einem Zetasizer Nano ZS ZEN 3600 (4 mW HeNe Laser, 633 nm) der Firma Malvern. Nach dem Verdünnen der Probe wurde diese in
eine Einweg-Zetaküvette aus Polystyrol bei 25 ◦C unter 173◦ Rückstreuung gemessen. Die
Berechnungen der Anzahlverteilungen wurden mit der Software DTS-Nano 5.0 der Firma
Malvern vorgenommen.
50
4 Verwendete Methoden
4.9 Transmissionselektronenmikroskopie
Theoretischer Hintergrund
Im Gegensatz zur Rasterelektronenmikroskopie wird bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die zu untersuchende Probe mit Elektronen durchstrahlt. Der für die
Mikroskopie verwendete Elektronenstrahl wird aus einer Glühkathode emittiert. Diese besteht entweder aus einem Wolfram-Haarnadelfilament oder einem LaB6 -Emitter, der von
einem Wehnelt-Zylinder umgeben ist. Eine weitere Möglichkeit ist eine Feldemissionskathode, bestehend aus einem Wolfram-Filament, welches von einer Extraktorelektrode
umgeben ist, die an das positive Potential angeschlossen ist. Aufgrund der Temperaturen
von bis zu 2700 K und dem Ultrahochvakuum ist Wolfram als sehr hoch schmelzendes
Metall, welches dazu einen sehr geringen Dampfdruck hat, das ideale Material. Ein elektrisches Feld beschleunigt die emittierten Elektronen im Ultrahochvakuum parallel zur
optischen Achse. Dieses Feld wird durch Anlegen einer Hochspannung von typischerweise
100 – 300 kV erzeugt. Einzelne moderne Geräte arbeiten sogar mit Spannungen von bis zu
3 MV. Unterhalb der Kathode sitzt die Anode in Form einer Metallplatte mit einem kleinen Loch. Die emittierten Elektronen werden zu 99 % von der Anode absorbiert und nur
1 % der Elektronen bewegt sich aus der Elektronenkanone auf eine Probe. Ein System aus
elektromagnetischen Kondensorlinsen fokussiert den Strahl auf die Probenoberfläche. Die
einfallenden Elektronen werden an der Probe gestreut, und mit Hilfe von Objektiven und
Blenden wird ein Zwischenbild des Beugungskontrastes der elastisch gestreuten Elektronen eingefangen. Dieses Bild wird auf einem fluoreszenten Schirm oder photographischen
Film abgelichtet.
Bei moderneren Geräten wird das Bild durch eine CCD-Kamera an einen Computer gesendet und kann dort digital bearbeitet werden. Damit eine Transmission der Elektronen
durch die Probe möglich ist, muss die Dicke der aufgebrachten Probe im Bereich von Nanobis wenigen Mikrometern liegen. Um Bilder mit hoher Auflösung zu erhalten, werden die
Proben auf ein Kupfernetz aufgetragen, welches mit Kohlenstoff beschichtet ist. Ebenfalls
kann die Probe in ein Kunstharz eingebettet werden, um anschließend Mikrotomschnitte
anzufertigen.
Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) stellt eine besondere Abbildungsvariante dar. Bei ihr entstehen die Abbildungen durch Interferenzen zwischen den Elektronenwellen des Primärstrahls und den transmittierten Austrittselektronenwellen, da diese beim Auftreffen auf das Probenmaterial eine Phasenänderung erfahren. Mit Hilfe der hieraus erhaltenen Informationen werden sogenannte Phasenkontrastbilder generiert. Allerdings verursachen auch die optischen Linsen des Mikroskops
eine Phasenverschiebungen bzw. sphärische und chromatische Aberration. Aus diesem
Grund muss eine so genannte Aberrationskorrektur vorgenommen werden, damit man
ein aussagekräftiges Bild erhalten kann. Eine zweite gesonderte Form des TEM ist das
4.9 Transmissionselektronenmikroskopie
51
Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM - engl.: scanning-transmission electron
microscope). Bei dieser Methode wird der Elektronenstrahl auf einen Punkt der zu untersuchenden Probe fokussiert und anschließend wird die Probe zeilenweise abgerastert. Dadurch sind weitere Analysemethoden, wie beispielsweise energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX - engl.: energy dispersive x-ray spectroscopy) oder Weitwinkel-DunkelfeldMessungen (HAADF - engl.: high-angle annual dark field) möglich.[172]
Verwendete Geräte und Spezifikationen
Die hochauflösenden transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden an einem FEI Titan Transmissionselektronenmikroskop bei 300 kV Beschleunigungsspannung
aufgenommen. Die Bilder wurden mittels Aberrationskorrektur korrigiert. Die Partikel
wurden auf einen ultra-dünnen Kohlenstoff-Film auf einem Kupfer-Gitter der Firma Ted
Pella Inc. aufgetragen. Alle HR-TEM-Aufnahmen wurden von Dr. Katerya Loza (Universität Duisburg-Essen) am Ernst-Ruska-Zentrum in Jülich durchgeführt.
53
5 Experimenteller Teil
5.1 Verwendete Chemikalien
Tab. 5.1: Verwendete Chemikalien mit Reinheit und Hersteller.
Chemikalie
Natriumborhydrid
Mercaptoethansäure
3-Mercaptopropansäure
6-Mercaptohexansäure
11-Mercaptoundekansäure
ortho-Mercaptobenzoesäure
meta-Mercaptobenzoesäure
para-Mercaptobenzoesäure
para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure
2-Chlorethansäure
1-13 C-Chlorethansäure
2-13 C-Chlorethansäure
Natriumthiosulfat-Pentahydrat
Salzsäure 37 %
Salpetersäure 65 %
Diethylether
Toluol
Reinheit
99,99 %
>99 %
Hersteller
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
>99 % Sigma Aldrich
90 % Sigma Aldrich
95 % Sigma Aldrich
97 % Sigma Aldrich
95 % Sigma Aldrich
99 % Sigma Aldrich
98 % Sigma Aldrich
>99 % Sigma Aldrich
99 %
99 %
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
>98 %
p.a.
p.a.
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
p.a.
p.a.
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
Deuteriumoxid
Deuterosalzsäure (20 % in D2 O)
Ammoniak-d3-Lösung (20 % in D2 O)
99,9 % Sigma Aldrich
99 % Merck
99 % Merck
Ammoniak-d3-Lösung (25 % in D2 O)
99,9 %
Sigma Aldrich
54
5 Experimenteller Teil
5.2 Synthesen
Sämtliche Synthesen wurden in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt um den Einfluss
von Luft-Sauerstoff auszuschließen. Die anschließenden Aufreinigungsschritte erfolgten unter Luft-Atmosphäre. Die Tetrachloridogoldsäure wurde von früheren Mitarbeitern durch
auflösen von elementarem Gold in Königswasser dargestellt. Diese Lösung hatte eine Konzentration von 0,061 mol L−1 . Alle Chemikalien wurden ohne weitere Aufreinigung verwendet.
5.2.1 Darstellung ultrakleiner Gold-Nanopartikel
HAuCl4 + Thiol
+ NaBH4
RT, N2-Atm.
R
S
R
S
R
S
Au
S
R
S
S
R
R
(R-5.1)
In einem 50 mL-Stickstoffkolben werden 20 mL entgastes Reinstwasser vorgelegt und mit
5 µmol Tetrachloridogoldsäure versetzt. Dann werden 100 µL einer Lösung des entsprechenden Thiols in Reinstwasser hinzugegeben und die Lösung anschließend für 10 min
gerührt. Für die Reduktion werden 100 µL einer frisch angesetzten 10 mm Lösung aus
Natriumborhydrid (20 µmol in 2 mL) Eiswasser mittels Eppendorf-Pipette unter starkem
Rühren schnell zugegeben und das Reaktionsgemisch noch weitere 10 min gerührt. Anschließend wird die Dispersion mit 1 m HCl angesäuert, wodurch die Partikel ausgefällt
werden. Nach Zentrifugation (3500 U min−1 , 1250 g, 15 min) wird der Überstand abdekantiert und verworfen. Die Partikel werden mit Hilfe eines Vortex mit Reinstwasser
redispergiert. Der Vorgang wird noch zweimal wiederholt. Abschließend wird der Bodensatz in Reinstwasser aufgenommen, mit 1 m Ammoniak-Lösung versetzt und mit Hilfe
eines Vortex oder Ultraschallbades redispergiert. Die Lagerung der Partikel erfolgte im
Kühlschrank.
55
5.2 Synthesen
5.2.2 Synthese von
13
C-angereicherter Mercaptoethansäure
HOOC−CH2 −Cl + Na2 S2 O3
HOOC−CH2 −S−SO3 Na + H2 O
H+
HOOC−CH2 −S−SO3 Na + NaCl
(R-5.2)
HOOC−CH2 −SH + NaHSO4
(R-5.3)
250 mg 1- 13C-Chlorethansäure, 250 mg 2- 13C-Chlorethansäure und 500 mg Chlorethansäure werden in 4,5 mL Wasser gelöst und mit Natriumhydrogencarbonat neutralisiert.
Danach werden 10 mmol Natriumthiosulfat-Pentahydrat in 3 mL Wasser hinzugegeben
und die Lösung für eine Stunde refluxiert. Das Gemisch wird auf 60 ◦C abgekühlt, mit
Schwefelsäure versetzt und für 12 Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen extrahiert man
fünfmal mit je 10 mL Diethylether. Die organischen Phasen werden vereint und das Lösungsmittel im Vakuum entfernt. Das Produkt wurde mit einer Auswaage von 530 mg
(54,4 %) erhalten.
57
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
Die Darstellung der ultrakleinen Nanopartikel erfolgte über einen Reaktionsweg, der die
Reduktion mit Natriumborhydrid in Gegenwart eines Thiols vorsieht. Diese Reaktion wurde im Arbeitskreis als Variation der Brust-Methode bereits etabliert.[57,114] Dabei wurde
anstelle eines zweiphasigen Systems aus Toluol und Wasser nur Reinstwasser als Lösungsmittel verwendet. Dies hatte den Vorteil, dass auf einen Phasentransferkatalysator verzichtet werden konnte, welcher nach der Reaktion nur schwer zu entfernen ist, da dieser
auf der Oberfläche des Partikels ebenfalls absorbiert.
Die Synthesen der Nanopartikel wurden jeweils unter identischen Bedingungen durchgeführt. Dabei wurden die Konzentrationen der Edukte und die Temperatur konstant gehalten und lediglich der Ligand ausgetauscht. Für noch definiertere Reaktionsbedingungen
wurde das Reaktionsgemisch vor der Zugabe des Thiols und des Natriumborhydrids entgast und mit Argon belüftet. Damit sollte der Luftsauerstoff aus dem Gemisch entfernt
werden. Zur Stabilisierung der dargestellten Nanopartikel wurden insgesamt zehn verschiedene Liganden eingesetzt, deren Strukturen in Abbildung 6.1 dargestellt sind. Bei den Liganden handelte es sich um Mercaptocarbonsäuren und kleine Peptide. Bei den Mercaptocarbonsäuren wurden sowohl geradlinige aliphatische als auch aromatische Verbindungen
verwendet. Die Anzahl der Kohlenstoff-Atome in den aliphatischen Liganden betrug zwei,
drei, sechs und elf. Thiophenolderivate waren die Grundlage der aromatischen Liganden,
die an unterschiedlichen Positionen (ortho, meta und para) eine Carboxyl-Gruppe trugen.
Dazu kam die para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure, die zwischen der Thiol-Gruppe und
dem aromatischen Ring eine Methylen-Gruppe besaß. Die Peptide bestanden einmal aus
zwei (Cys-Gly) und einmal aus sechs Aminosäuren (Cys-Gly-Gly-Arg-Gly-Asp).
Über den Schwefel der Thiol-Gruppe der Liganden sollte eine möglichst stabile Bindung an die Partikeloberfläche erzielt werden, da dieser sehr aurophil ist. Dagegen diente
die Carboxyl-Gruppe der Stabilisierung der Partikel, da durch die Deprotonierung eine große Oberflächenladung generiert wurde, was zu einer starken elektrostatischen Abstoßung führte. Hierdurch waren die Partikel sehr gut vor Agglomeration geschützt. Im
Laufe der Arbeit gelang es, ultrakleine Gold-Nanopartikel mit allen verwendeten Liganden zu synthetisieren. Neben der Partikelgröße und der Größenverteilung war die Beschaffenheit der organischen Hülle von Interesse. Diese wurde mit Hilfe verschiedener
NMR-spektroskopischer Methoden untersucht, was bislang nur vereinzelt und oberflächlich geschah.[102,110,123,173–176]
Die Ergebnisse der Partikel-Synthesen werden in den folgenden Abschnitten sortiert nach
Liganden vorgestellt, wobei auf die Bestimmungen der Größenverteilung mit verschiedenen Methoden eingegangen wird, die NMR-Studien vorgestellt und die Bestimmung
der Ausbeuten mit Hilfe von AAS-Messungen diskutiert werden. Die 1H-NMR-Spektren
58
6 Ergebnisse und Diskussion
der Edukte wurden stets mit einem 300 MHz-Spektrometer aufgenommen, während die
Spektren der Nanopartikel an einem NMR-Spektrometer mit 600 MHz gemessen wurden.
Des Weiteren wurden die Spektren unter Wasserunterdrückung aufgezeichnet. In manchen
Fällen wirkte dies nicht ideal, so dass im Bereich um 4,8 ppm mitunter eine Restintensität
zu erkennen ist.
O
O
HS
OH
Mercaptoethansäure
O
HS
OH
3-Mercaptopropansäure
O
HS
OH
6-Mercaptohexansäure
O
OH
SH
ortho-Mercaptobenzoesäure
O
HS
OH
HS
meta-Mercaptobenzoesäure
OH
para-Mercaptobenzoesäure
O
O
HS
H2 N
OH
HS
para-(Mercaptomethyl)benzoesäure
H2 N
H
O
H2 N
HS
N
H
N
H
H
N
O
OH
O
CG
NH
N
O
O
N
H
H
N
O
O
N
H
OH
OH
O
CGGRGD
Abb. 6.1: Strukturen der verwendeten Liganden.
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
59
6.1.1 Gold-Nanopartikel mit Mercaptoethansäure
Der erste Ligand, die Mercaptoethansäure (MES), stellt das kleinste Thiol der Untersuchungen dar. Unter dem Namen Thioglykolsäure bzw. als Ammoniumsalz Ammoniumthioglykolat wird sie industriell in Friseurprodukten und Enthaarungsmitteln verwendet.
Bei der Verarbeitungen von Dauerwellen greift sie in die Struktur der Proteine in Haaren
ein, in dem sie Disulfidbrücken des Kreatins reduziert. Diese werden von den CysteinEinheiten des Proteins ausgebildet. Nachdem die Haare in Form gebracht sind, werden
die neuen Disulfidbrücken in den Haaren durch Oxidation gebildet.[177] Über die ThiolFunktion soll das Molekül an das Gold binden, während durch die Carboxyl-Gruppe eine
elektrostatische Stabilisierung in das System gebracht werden kann.
Sie wurde eingesetzt, da durch die einfache Struktur lediglich ein Singulett von der
Methylen-Gruppe im 1H-NMR-Spektrum detektiert wird und dadurch nach einer Koordination an die Gold-Nanopartikel ein einfaches und übersichtliches Spektrum zu erwarten
ist. Das 1H-NMR-Spektrum (300 MHz) der reinen Mercaptoethansäure ist in Abbildung
6.2 oben dargestellt und zeigt wie erwartet ein Singulett bei 3,20 ppm. Die Signale der
Thiol- und der Carboxyl-Gruppe werden in Deuteriumoxid nicht detektiert, da diese Protonen mit dem Deuterium austauschen. Nach der Synthese, Aufreinigung über Zentrifugation und Trocknung im Vakuum wurde ein ganzer Ansatz der Nanopartikel in 500 µL einer
0,2 m Ammoniak-D3 -Lösung in Deuteriumoxid gelöst. Dies war nötig, um eine ausreichend
hohe Konzentration zu gewährleisten. Durch die hohe Konzentration in der Probe wies
diese eine dunkel-braune Farbe auf. Durch das basische Milieu werden die Partikel durch
Deprotonierung der Carboxyl-Gruppe stabilisiert, da sich eine negative Ladung auf der
Oberfläche ausbildet. Von den fertigen Partikeln wurde anschließend zunächst mit einem
300 MHz-Spektrometer ein 1H-NMR-Spektrum aufgenommen. Aufgrund eines schlechten
Signal/Rausch-Verhältnisses wird auf eine Darstellung dieser Spektren verzichtet. Die Signale sind sehr breit und überlagern einander, weswegen kaum Informationen aus diesem
Spektrum entnommen werden können. Um die Empfindlichkeit und die Auflösung zu erhöhen, wurde die Messung an einem 600 MHz-Spektrometer wiederholt. Dieses Spektrum
ist in Abbildung 6.2 unten gezeigt. Entgegen der Erwartungen zeigt es eine Vielzahl von
relativ breiten Signalen zwischen 3,3 und 4,2 ppm. Da es sich bei den Signalen offenbar
um Singuletts handelt, liegen keine Kopplungen zwischen den Protonen vor.
60
3,20
6 Ergebnisse und Diskussion
O
HS
OH
ppm
3,31
3,48
3,93
3,82
3,80
3,77
3,72
3,70
4,13
4,10
4,05
4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1
4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1
ppm
Abb. 6.2: 1H-NMR-Spektren von freier MES (oben, 300 MHz) und MES, koordiniert an
Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Eine besonders auffällige Beobachtung in diesem Spektrum ist, dass wesentlich mehr Signale detektiert werden, als zu erwarten war. Dies lässt sich über verschiedene Wege
erklären. Zunächst wären chemische Reaktionen denkbar, durch die der Ligand in andere
Verbindungen überführt wird, in denen die Methylen-Gruppe unterschiedliche chemische
Verschiebungen erfährt. Eine Übersicht über die möglichen Reaktionen zeigt Abbildung
6.3. Bei Mercaptocarbonsäuren (1) kann es beispielsweise zu Redox-Reaktionen oder einer
Veresterung mit anderen Mercaptocarbonsäure-Molekülen kommen. Im Zuge einer Redoxreaktion könnte das Schwefel-Atom der Thiol-Gruppe zur Sulfensäure (2), Sulfinsäure (3)
oder zur Sulfonsäure (4) oxidiert werden. In den letzteren beiden Oxidationsstufen liegt
beim Schwefel jedoch kein freies Elektronenpaar mehr vor, um an die Nanopartikel zu
koordinieren. Sulfensäure und Sulfinsäure gelten des Weiteren nur als Zwischenstufen,
die unter normalen Bedingungen nicht isoliert werden können.[178] Des Weiteren kann die
Thiol-Gruppe zum Disulfid (5) oxidiert werden. Hierbei handelt es sich um eine typische
Reaktion von Thiolen, die unter anderem während der Lagerung von Mercaptanen stattfindet, wenn dort Sauerstoff aus der Luft anwesend ist. Begünstigt wird diese Reaktion
bei einem basischen pH-Wert im System. Diese Bedingungen liegen nach der Synthese
vor, weshalb diese Reaktion auch zu beobachten ist und im 1H-NMR-Spektrum das Signal für das entsprechende Disulfid bei einer Verschiebung von 3,48 ppm gefunden werden
kann.[179] All diese (teilweise theoretischen) Reaktionsprodukte haben durch den induktiven Effekt der Sauerstoff-Atome bzw. des zweiten Schwefel-Atoms im NMR-Spektrum
61
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
eine höhere chemische Verschiebung zur Folge. Diese Abhängigkeit ist in der folgenden
Tabelle 6.1 anhand einiger einfacher Schwefel-Verbindungen gezeigt.[180]
Tab. 6.1: Beispiele chemischer Verschiebungen der markierten Protonen in SchwefelVerbindungen.[180]
Verbindung
δ( 1H) / ppm
H3C SH
2,00
H3C S CH3
2,12
H3C S S CH3
2,30
O
H3C S CH3
2,62
O
H3C S CH3
O
2,84
O
H3C S OH
O
3,09a
Auf der anderen Seite ist eine Reduktion der Carboxyl-Gruppe zum Mercaptoaldehyd (6)
oder zum Mercaptoalkohol (7) eher unwahrscheinlich. In beiden Fällen müssten Kopplungen zu dem Aldehyd-Proton bzw. der zweiten Methylengruppe im Alkohol zu sehen sein.
Ebenso müssten auch die neuen Signale detektiert werden. Besonders bei Aldehyden zeigt
sich eine charakteristische Verschiebung für das Proton am Carbonyl-Kohlenstoffatom
im Bereich um 9 – 11 ppm.[166] Diese wurden jedoch nicht beobachtet. Zur Sicherstellung
wurde eine Probe des Liganden mit Ammoniak neutralisiert und mit Natriumborhydrid
versetzt. Im Spektrum waren keine Änderungen zu erkennen. Das Redox-Potential von
Natriumborhydrid ist nicht groß genug, um eine Carbonsäure zu reduzieren. Dafür wird
in der organischen Chemie Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4 ) verwendet.[181] Eine Veresterung zweier Moleküle zu einem Thioester (8) ist der letzte denkbare Reaktionspfad. Sie
finden zumeist unter sauren Bedingungen statt, welche während der Reaktion vorliegen.
Jedoch sind solche Verbindungen nicht sonderlich stabil und so sollten diese unter den
basischen Bedingungen der NMR-Probe relativ schnell wieder durch Verseifung gespalten
werden. Auch solche Beobachtungen an Proben die mehrfach gemessen wurden, wurden
nicht gemacht. Ordnet man das Signal bei 3,48 ppm dem Disulfid zu, so verbleiben neun
Signale, die nicht genauer zugeordnet werden können.
a
mit Inkrement-Rechnungen abgeschätzt
62
6 Ergebnisse und Diskussion
O
C X S OH
Oxidation
HO
O
C X S OH
Oxidation
Reduktion
C X SH
H
(1)
(6)
Reduktion
HO
(3)
O
C X S OH
HO
O
(4)
O
O
O
C X S S X C
HO
Oxidation
O
C X SH
HO
(2)
O
O
Veresterung
H
HO C X SH
H
(7)
O
O
C X S C X SH
HO
(8)
Oxidation
OH
(5)
Abb. 6.3: Reaktionsmöglichkeiten einer Mercaptocarbonsäure.[178,181]
Ein zweiter Erklärungsansatz der zusätzlichen Signale betrachtet unterschiedliche kristallographische Positionen auf dem Nanocluster. Als Beispiel sei hier auf die Klasse der
metallischen oder metalloiden Cluster verwiesen. Wenn die kristallographische Anordnung
eines Clusters hochsymmetrisch ist, so führt dies im NMR-Spektrum mitunter zu nur einem Satz von Signalen. Bei Verringerung der Symmetrie liegen für den gleichen Liganden
an unterschiedlichen Koordinationsstellen abweichende chemische bzw. elektronische Umgebungen vor. Dies führt zu unterschiedlichen chemischen Verschiebungen. Dieser Effekt
ist oftmals temperaturabhängig, da die Cluster und Liganden fluktuieren, sich also auf der
Oberfläche bewegen können, wodurch nur ein gemitteltes Signal für alle Liganden beobachtet wird. Verringert man die Temperatur während der Messung, werden die Positionen
ausgefroren und es werden mehrere Signale erhalten. Mit Hilfe der Integrale können dann
indirekt Rückschlüsse auf die Geometrie des Partikels oder Clusters gezogen werden.[182]
Eine höhere chemische Verschiebung der neuen Signale wurde auch in anderen Arbeiten über Gold-Nanopartikel und Gold-Komplexe bereits beobachtet.[102,110,123,173–176] Die
größere chemische Verschiebung bedeutet eine Entschirmung der Protonen auf der Partikeloberfläche. Eine weitere mögliche Begründung dafür liefert die sogenannte KnightVerschiebung. Dahinter verbirgt sich die Verschiebung der Resonanzfrequenz aufgrund
des metallischen Charakters der Partikel. Die ursprüngliche Beobachtung bezog sich auf
makroskopische Metalle im Festkörper-NMR. Im resultierenden Spektrum wurde eine signifikant größere Resonanzfrequenz als in entsprechenden Komplexen oder Salzen des
Metalls gefunden. NMR-Experimente an kolloidalen Dispersionen von Metallen zeigten,
dass auch diese eine Änderung der Resonanzfrequenz erfahren. Diese Änderung ist jedoch
abhängig von der Partikelgröße, da der metallische Charakter von der Zahl der Atome
abhängig ist. Darauf folgende Untersuchungen an solchen Dispersionen lieferten weitere Ergebnisse. So wird nicht nur die Frequenz des Metalls verschoben, sondern auch die
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
63
von adsorbierten Molekülen. Nach der Absorption von Kohlenmonoxid auf PalladiumNanopartikeln (7,0 nm) wurde einer der höchsten Werte für eine chemische Verschiebung
für 13C-Kohlenstoff detektiert. Dieser betrug ca. 800 ppm und war somit mehr als viermal größer als für freies Kohlenmonoxid (185 ppm). Die Resonanzlinie des gebundenen
Kohlenmonoxids war stark verbreitert, weswegen sie zunächst nicht detektiert werden
konnte. Nur durch eine indirekte Methode war eine Detektion möglich. Dafür wurde der
Frequenzbereich zwischen 2000 und 200 ppm in Inkremente eingeteilt und während der
Messung wurde so gepulst, dass Signale dort gesättigt wurden. Durch den Austausch des
gebundenen Liganden mit freiem CO kam es bei der richtigen Position zu einer Abnahme
des Signals des freien Kohlenmonoxids. Bei einer Verkleinerung der Palladium-Partikel
auf 2,3 nm lag die chemische Verschiebung nur noch bei ca. 700 ppm. Bei einem Partikeldurchmesser von 1,0 und 1,8 nm waren dagegen keine signifikanten Verschiebungen
mehr zu beobachten.[183] Hinzu kommt, dass die Knight-Verschiebung von der Richtung
im Kristall abhängig ist. Damit spielt es in solchen Systemen eine Rolle, an welcher Stelle
der Ligand an die Oberfläche koordiniert ist.
Eine Übertragung dieser Effekte auf die Gold-Nanopartikel liefert eine gute Erklärung
für die unterschiedlichen Signale. Gold besitzt eine Knight-Verschiebung von 1,65 %. Die
Verschiebungswerte von elementarem Gold sind als gegenüber gelösten Gold-Spezies etwa
1,65 % größer.[184] .
Unter der Annahme, dass alle Signale von der gleichen Verbindung erzeugt werden, lägen
die Unterschiede in der chemischen Verschiebung im Vergleich zum ungebundenen Liganden zwischen 0,50 und 0,92 ppm über den Werten für den freien Liganden. Interessanterweise sind die Beobachtungen bei thiolstabilisierten Partikeln wesentlich ausgeprägter
als beispielsweise bei Partikeln, die mit Aminen funktionalisiert sind. Grund dafür ist
die starke kovalente Wechselwirkung zwischen dem Gold und dem Schwefel, während bei
Aminen eine eher schwache ionische Wechselwirkung vorliegt. So sind die relativen Verschiebungsunterschiede für Protonen einer Methylen-Gruppe neben einer Amin-Funktion,
die an einen Gold-Nanopartikel gebunden ist, mit ca. 0,44 – 0,53 ppm nur etwa halb so
groß wie im Fall eines Thiols.[123]
Neben der Signal-Anzahl ist in dem erhaltenen Spektrum eine zweite, unerwartete Beobachtung zu machen. Die Signale haben für eine Messung an einem 600 MHz-Spektrometer
eine sehr große Halbwertsbreite mit Werten zwischen 5 und 7 Hz. Die Werte für solche
hochaufgelösten Spektren sollten eher in der Größenordnung von 0,1 und 1 Hz liegen. Die
Verbreiterung der NMR-Signale von Thiol-Liganden, die an Gold-Nanopartikeln koordiniert sind, wird in der Literatur stets beobachtet, jedoch selten ausführlich diskutiert.
Hostetler et al. fanden heraus, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen der Partikelgröße und der Halbwertsbreite der Signale gibt. Zur Erklärung dieses Phänomens gibt
es verschiedene Ansätze. Die erste Variante besteht in den zuvor beschriebenen Inhomogenitäten des Magnetfeldes, wodurch die Larmor-Frequenz für die gleiche CH2 -Gruppe
64
6 Ergebnisse und Diskussion
an unterschiedlichen Positionen in der Probe unterschiedlich groß sein kann. Das hätte
zur Folge, dass es zu einer Überlagerung verschiedener Signale mit minimal unterschiedlicher Larmor-Frequenz und damit zu einem breiten Signal kommt. Zum zweiten könnte
die Relaxationszeit T2 stark reduziert sein. Dies könnte in der Anbindung des Liganden
an den Nanopartikel begründet sein, worauf dessen Freiheitsgrade eingeschränkt worden
sind. Damit wäre beispielsweise die Rotation um bestimmte Bindungen behindert.[102]
Damit hätten die gebundenen Liganden jeweils eine andere Resonanzfrequenz, was zu
breiten Signalen führt, da diese sich während des Experimentes nicht mehr mitteln. Diese Phänomene sind aus der Festkörper-NMR-Spektroskopie bekannt und führen dort zu
stark verbreiterten Signalen.[151] Durch die Größe der Partikel bewegt man sich in diesem
System in Richtung eines Festkörpers, so dass eine Begründung dieser Beobachtungen
darüber möglich ist.
Auch wenn es sich bei den Signalen im 1H-NMR-Spektrum um Singuletts handelt, wurde
zur vollständigen Charakterisierung und zur Vollständigkeit der Messreihe ein 1H, 1HKorrelationsspektrum (COSY - engl.: correlation spectroscopy) aufgenommen (Vgl. Abbildung 6.4). Bei dieser NMR-spektroskopischen Methode handelt es sich um eine zweidimensionale Messung, mit deren Hilfe die Kopplungen zwischen benachbarten, nichtäquivalenten Protonen beobachtet werden können. Dieses Experiment ist auf die 3 JKopplung ausgelegt, wodurch die Wechselwirkungen zweier vicinaler Protonen beobachtet
werden können. In den Projektionen oben und links ist jeweils das 1H-NMR-Spektrum
dargestellt. Das große Signal bei 4,79 ppm wird durch Wasser verursacht, welches während der Messung nicht vollständig unterdrückt wurde. Durch die Breite der Signale der
Probe ist es möglich, dass Kopplungen nicht zu erkennen sind. Das gemessene Spektrum
zeigt jedoch deutlich, dass zwischen den einzelnen Signalen keine Kopplungen vorliegen
und es sich somit wie vermutet um Singuletts handelt. Auch in den nicht gezeigten Bereichen des Spektrums wurden keine Signale detektiert. Damit bestätigt sich ebenfalls,
dass auch nach der Synthese isolierte Methylen-Gruppen in der Probe vorliegen. Somit
liefert dieses Spektrum eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus dem
1
H-NMR-Spektrum.
65
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
ppm
3,0
3,5
4,0
4,5
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
ppm
Abb. 6.4: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
MES.
Im nächsten Schritt wurde die Probe mittels 13C-NMR-Spektroskopie untersucht. Dabei
zeigte sich, dass es aufgrund der sehr geringen Konzentration (bei eingesetzten 15 µmol
theoretisch maximal 0,03 mol L−1 ) nicht möglich war, an einem 300 MHz-Spektrometer
ein Signal in annehmbarer Messzeit zu detektieren. Auch eine Wiederholung der Messung
an einem 500 MHz-Spektrometer brachte unter Direktanregung der Kohlenstoff-Atome
kaum Signalintensität. Erst durch die Verwendung des 600 MHz-Spektrometers, welches
mit einem inversen Probenkopf ausgestattet ist, ließen sich Signale detektieren. Bei einem
inversen Probenkopf ist die innere Spule für die Anregung und Detektion von Heteroatomen verantwortlich, während die äußere Spule zur Messung von Protonen verwendet wird.
Dadurch wird die Empfindlichkeit für Protonen zwar minimal eingeschränkt, jedoch für
die Heterokerne maßgeblich gesteigert. Obwohl das in Abbildung 6.5 gezeigte Spektrum
mit 24 000 Scans aufgenommen wurde, weist es dennoch ein schlechtes Signal/RauschVerhältnis auf. Zu erkennen sind vier Signale im aliphatischen Bereich des Spektrums.
Zusätzlich lassen sich im Bereich der Carboxyl-Gruppen zwei oder drei Signale erkennen.
Damit ließen sich aus diesem Spektrum unter diesen Bedingungen keine signifikanten
Aussagen treffen.
66
200
Abb. 6.5:
13
180
42,9
37,9
32,1
178,9
6 Ergebnisse und Diskussion
160
140
120
100
80
60
40
ppm
C-NMR-Spektrum von MES, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Um dennoch Informationen über die Kohlenstoff-Atome aus der vorliegenden Probe zu
erhalten, wurde ein HSQC-Experiment (engl.: heteronuclear single quantum coherence)
angewendet. Hierbei handelt es sich um eine inverse 1H, 13C-Korrelation. Das bedeutet,
dass die Anregung und die Signaldetektion über die Protonen erfolgt, welche wesentlich
empfindlicher als der 13C-Kohlenstoff sind. Dadurch lässt sich die Messzeit im Gegensatz
zu einer Messung mit Direktanregung signifikant verkürzen bzw. bei gleicher Messzeit
die Signal-Intensität steigern. Man erhält als Resultat direkt Informationen darüber, welche Protonen mit welchen Kohlenstoff-Atomen koppeln. Da in diesem Experiment nur
1
J-Kopplungen berücksichtigt werden, lässt sich ablesen, an welches Kohlenstoff-Atom
die Protonen jeweils gebunden sind. Somit wurden mit Hilfe dieses Experimentes indirekt Informationen über den 13C-Kohlenstoff erhalten. Es gilt dabei zu beachten, dass
Kohlenstoff-Atome nur detektiert werden können, wenn an ihnen Protonen gebunden sind.
Damit können quartäre Kohlenstoff-Atome mit dieser Messmethode nicht detektiert werden. Das in Abbildung 6.6 gezeigte Spektrum spiegelt ebenfalls die bisherigen Ergebnisse
sehr gut wieder. Am oberen Rand ist das 1H-NMR-Spektrum abgebildet, während am
linken Rand eine Projektion des 2D-Spektrums zu sehen ist. In dem abgebildeten Spektrum beschränkt sich die Ansicht in F1-Richtung ( 13C-Spektrum) auf den aliphatischen
Bereich zwischen 30 und 50 ppm, da nur Kohlenstoff-Atome, an die Protonen gebunden
sind, detektiert werden können. Außerdem wurden auch nur in diesem Bereich Signale
erhalten. In diesem Fall handelt es sich somit um die Methylen-Gruppe. Jedes ProtonenSignal hat eine Kopplung zu einem 13C-Signal. Dabei ist zu erkennen, dass sich die Signale
beider Kerne bei der Verschiebung gleich verhalten. Die am weitesten verschobenen Protonen wechselwirken mit den am weitesten verschobenen Kohlenstoff-Atomen. Es zeigt sich,
dass die Einflüsse von Abschirmungen, die zu chemischen Verschiebungen führen, in etwa
jeweils ungefähr gleich groß auf beide Kernsorten wirken. Somit ergeben sich chemische
Verschiebungen für den 13C-Kohlenstoff zwischen 38 und 42 ppm. In der Literatur wird
für Mercaptoethansäure eine chemische Verschiebung von ca. 26 ppm angegeben. Somit
ist auch hier eine signifikante Verschiebung zu erkennen, die ca. 14 ppm größer ist, als im
freien Liganden, und auf die Knight-Verschiebung zurück zu führen ist.
67
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
ppm
35
13
d( C)
40
45
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
50
ppm
1
d( H)
Abb. 6.6: HSQC-Spektrum von MES, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Informationen über die Kohlenstoff-Atome an die keine Protonen gebunden sind, lassen
sich mit Hilfe eines HMBC-Experimentes (engl.: heteronuclear multi bond correlation)
erhalten. Bei dieser Messmethode werden Kopplungen über zwei, drei oder selten auch vier
Bindungen hinweg untersucht. Im vorliegenden Spektrum liegt der Schwerpunkt auf der
2
J-Kopplung, womit die Kopplung der Protonen mit dem benachbarten Kohlenstoff der
Carboxyl-Gruppe detektiert werden kann. Dadurch ist es möglich, Informationen über die
chemische Verschiebung dieses Kohlenstoff-Atoms zu erhalten. Das erhaltene Spektrum
ist nachfolgend in Abbildung 6.7 dargestellt und analog zum HSQC-Spektrum ist oben
das 1H-NMR-Spektrum abgebildet und am linken Rand eine Projektion der 2D-Daten
gezeigt. Das Spektrum macht deutlich, dass die Signale des 1H-NMR-Spektrum mit jeweils
einem Signal koppeln. Die Verschiebungswerte der 13C-Signale liegen zwischen 175 und
180 ppm, was dem Bereich von Carboxyl-Kohlenstoffatomen entspricht. Es wurden auch
hier keine Signale in anderen Verschiebungsbereichen detektiert. Dieses Ergebnis zeigt,
dass der Einfluss der Knight-Verschiebung mit Abstand zur Oberfläche abnimmt, da für
die chemische Verschiebung der Carboxyl-Gruppe freier Mercaptoethansäure mit 176 ppm
angegeben wird. Damit sind die Werte für den koordinierten Liganden nur geringfügig
größer.
68
6 Ergebnisse und Diskussion
ppm
170
13
d( C)
175
180
185
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
190
ppm
1
d( H)
Abb. 6.7: HMBC-Spektrum von MES, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Die Resultate der NMR-Spektren legen nahe, dass sich der Ligand nicht durch chemische
Reaktionen verändert haben kann. Die HSQC- und HMBC-Experimente zeigen deutlich, dass die Verschiebungen der 13C-Signale in den jeweiligen Bereichen liegen, wo sie
durch die Struktur des Liganden zu erwarten sind. Die zuvor in Abbildung 6.3 gezeigten Reaktionsmöglichkeiten für Thiole würden zum Teil stark abweichende chemische
Verschiebungen aufweisen, wie sie auch in Tabelle 6.2 vergleichsweise für ähnliche Verbindungen aufgelistet sind. Im Falle einer Reduktion würde zwar das Signal des CarbonylKohlenstoffatoms des Mercaptoaldehyds ebenfalls in einem Bereich zwischen 180 und
205 ppm liegen, dagegen befinden sich die Signale des Mercaptoalkohols in einem Bereich
zwischen 40 und 80 ppm. Bei einer Oxidation des Schwefels würde das 13C-Signal der
CH2 -Gruppe bis zu 30 ppm höhere chemische Verschiebungen aufweisen. Die Bildung des
Disulfids hat eine chemische Verschiebung von ca. 16 ppm zur Folge.[166] Dieser Einfluss
ist in der nachstehenden Tabelle an einfachen Verbindungen kurz zusammengefasst.
69
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
Tab. 6.2: Beispiele chemischer Verschiebungen von Kohlenstoff-Atome ausgewählter
Verbindungen.[166]
Verbindung
δ( 13C) / ppm
O
H3C
OH
177,9
H
199,9
OH
57,0
O
H3C
H3C
H3C SH
6,5
H3C S S CH3
22,0
O
H3C S OH
O
39,6
Mit Hilfe eines UV/vis-Spektrums, lassen sich ungefähre Aussage über die Größe der
Partikel machen. Wie bereits in Kapitel 3.2 beschrieben, kommt es zur Absorption von
sichtbarem Licht durch die Anregung von Oberflächenplasmonen. Diese sind abhängig
von der Anzahl der beteiligten Atome und damit von der Größe des Nanopartikels. Der
Bereich, indem eine solche Absorption in einem UV/vis-Spektrum zu messen ist, liegt im
Falle des Goldes zwischen 500 und 550 nm. Der Grenzwert, ab dem die Plasmonenresonanz
verschwindet, ist in der Literatur mit ca. 2 nm angegeben.[55] Damit ist es möglich, die
Größe von Gold-Nanopartikeln mit dieser Methode abzuschätzen. Das aufgenommene
Spektrum der Partikel ist in Abbildung 6.8 dargestellt und zeigt deutlich, dass kaum
eine Absorption in dem genannten Bereich detektiert wird. Daraus lässt sich schließen,
dass die mittlere Partikelgröße unterhalb von 2 nm liegen muss. Lediglich unterhalb von
400 m zeigt sich eine intensive Absorption, die von den Liganden verursacht wird. In der
Carboxyl-Gruppe des Liganden lassen sich n → π*- und π → π*-Übergänge anregen, die
typischerweise Energien dieser Wellenlängenbereiche benötigen.
70
6 Ergebnisse und Diskussion
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.8: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit MES.
Die genauere Bestimmung der Partikelgröße mit Hilfe der Differentiellen Zentrifugalsedimentation liefert einen Durchmesser von 1,8 nm. Dieses Ergebnis deckt sich sehr gut mit
den Ergebnissen der Arbeiten von Ristig et al., in denen durch die Reduktion mit Natriumborhydrid stets Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 1,6 – 2,2 nm erhalten
wurden.[57,114] Auch passen die Ergebnisse der UV/vis-Messungen sehr gut zu diesem
Befund. Bei der dynamischen Lichtstreuung wird eine Größenverteilung um einen Durchmesser von 4,8 nm erhalten. Wie zu erwarten ist, fällt der Wert für die Größe in der DLS
größer aus, da hier der hydrodynamische Durchmesser samt Liganden- und Hydrathülle
mitgemessen wird. Jedoch fügen sich die Ergebnisse im Rahmen der Fehler der Messmethoden sehr gut zusammen. Abbildung 6.9 zeigt die Graphen der DLS und der DCS für
die Gold-Nanopartikel mit Mercaptoethansäure. Im Graphen der Scheibenzentrifuge befindet sich ein zweites Signal bei 4 – 5 nm. Dieses lässt sich durch Agglomeration erklären,
weil entweder die Partikel durch den sterisch sehr kleinen Liganden keine ausreichende
Stabilität besitzen oder das Redispergieren per Ultraschallbad nach der Zentrifugation
nicht ausreichend war. Möglich wäre auch, dass es durch zu lange Behandlung mit dem
Ultraschallbad eher zu einer Agglomeration kommt, da durch den erhöhten Energieeintrag
in das System die Zusammenstöße zwischen den Partikeln zunehmen und die repulsiven
Wechselwirkungen überwunden werden können (Vgl. Kapitel 3.3).
71
1,0
40
35
30
25
20
15
10
5
0
rel. Intensität
Anzahl [%]
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
0,5
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.9: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit MES.
Als dritte Methode der Größenbestimmung wurde eine NMR-Technik verwendet, bei der
der Diffusionskoeffizient von Substanzen bestimmt wird (Vgl. Kapitel 4.1.2). Die diffusionsgewichtete NMR-Spektroskopie wird in der Literatur vielseitig angewendet, um besonders die Größen von Bio- oder Makromolekülen zu bestimmen. Im Bereich der Nanopartikel findet sie bislang kaum Verwendung.[185,186] Beispielsweise haben Häkkinen et al.
diese Methode verwendet, um die Größe von Gold-Clustern zu bestimmen. Sie verwendeten dazu Proben von Gold-Clustern, die zuvor kristallisiert wurden und damit theoretisch
eine ideal schmale Größenverteilung besitzen. Als Ligand wurde für alle Untersuchungen Phenylethanthiol (PET) verwendet um einen Einfluss des Liganden auszuschließen.
Sie verglichen die erhaltenen Größen mit Schätzungen aus den Kristallstrukturen, wobei sie feststellten, dass die Korrelationen sehr gut zueinander passten. So errechneten
sie über das DOSY beispielsweise, dass der Gold-Cluster Au38 PET24 einen hydrodynamischen Radius von 2,2 nm hat. Dagegen lässt sich der Durchmesser aus der Kristallstruktur
in Abhängigkeit der Ligandenanordnung in Lösung auf ca. 1,7 – 2,6 nm abschätzen.[186]
Das Ergebnis der DOSY-Messung ist im Spektrum in Abbildung 6.10 ist zu sehen. Die
Projektion am oberen Rand des Spektrums ist ein 1H-NMR-Spektrum, das vor der Messung aufgenommen wurde. Im Gegensatz zur Abbildung 6.2 wurde dieses Spektrum ohne
Wasserunterdrückung gemessen. Daher handelt es sich bei dem großen Signal bei 4,79 ppm
um Restwasser aus dem Deuteriumoxid. Im Spektrum ist zu erkennen, dass die meisten
Signale den gleichen Diffusionskoeffizienten besitzen. Lediglich den Signalen bei 3,31 und
3,48 ppm ist ein größerer Diffusionskoeffizient zuzuordnen. Diese beiden Signale wurden
dem freien Liganden und dem Disulfid der Mercaptoethansäure zugeordnet, welche entweder trotz Aufreinigung in der Probe zurückgeblieben sind oder durch Abspaltung vom
Partikel gelöst wurden. Für die anderen Spezies bedeutet dieses Ergebnis, dass alle organischen Moleküle, die diese Signale verursachen, an die Partikeloberfläche gebunden sind.
Würde es sich um freie Moleküle handeln, müssten auch diese deutlich kleinere Diffusionskoeffizienten aufweisen.
72
6 Ergebnisse und Diskussion
lg(D)
−11
−10
−9
4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0
−8
ppm
Abb. 6.10: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von MES, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Die genaue Bestimmung des Diffusionskoeffizienten wurde anschließend mit Hilfe eines
Stejskal-Tanner-Plots durchgeführt. Dazu wurden die erhaltenen Daten graphisch nach
Gleichung 4.11 aufgetragen. Die Datenpunkte wurden durch Einfügen einer Regressionsgeraden analysiert, deren negative Steigung dem Diffusionskoeffizienten entspricht. Aufgrund der zu starken Streuung wurden die letzten sechs Signale nicht in die Analyse
der Steigung mit einbezogen. An dieser Stelle war die Intensität der Signale bereits so
schwach, dass es durch das Rauschen zu starken Schwankungen der Intensität kam. Die
so bestimmte Gerade führt zu einem Diffusionskoeffizienten von 2,310 · 10−10 m2 s−1 . Für
die Berechnung des hydrodynamischen Radius wird die Stokes-Einstein-Gleichung (Gleichung 4.12) verwendet, in welche die folgende Parameter eingesetzt werden:
kB = 1,3805 · 10−23 J K−1
T = 298,15 K
η(D2 O)
= 1,0963 · 10−3 Pa s[187]
Mit diesen Werten ergibt sich ein hydrodynamischer Durchmesser von 1,7 nm.
73
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
0
-1
y = −2,310 · 10-10 · x − 0,057
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.11: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit MES.
Dieser ist in sehr gutem Einklang mit den Ergebnissen aus der Differentiellen Zentrifugalsedimentation und zeigt, dass diese Methode sehr gut geeignet ist, um die Partikelgröße
zu bestimmen, auch wenn noch Verunreinigungen in der Probe sind. Letzteres stellt besonders die dynamische Lichtstreuung vor Probleme, da dort Verunreinigungen schnell die
Werte verfälschen können. In der Scheibenzentrifuge wäre zu erwarten, dass zumindest
gelöste Verunreinigungen zu keiner Verfälschung der Messergebnisse führen.
Für die Synthese der Gold-Nanopartikel wurde eine Stoffmenge von 5 µmol Tetrachloridogoldsäure eingesetzt. Dies entspricht einem Goldgehalt von 985 µg. In der nachstehenden
Tabelle 6.4 sind die Messergebnisse der Atomabsorptionsspektroskopie für die Gold-Nanopartikel stabilisiert mit Mercaptoethansäure aufgelistet. Das eingesetzte Probenvolumen
betrug jeweils 10 mL, womit ein durchschnittlicher Goldgehalt von 927 µg erreicht wurde.
Dies entspricht wiederum einer durchschnittlichen Ausbeute von 94,1 %.
Tab. 6.4: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit MES stabilisierten
Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
91,7
917
93,1
88,6
97,9
886
979
89,9
99,4
Damit ist abschließend gezeigt, dass bei der Darstellung und anschließenden Reinigung,
über Ausfällung und Zentrifugation der ultrakleinen Nanopartikel kaum Ausbeuteverluste
auftreten und dieser Reaktionsweg bestens für die Synthese geeignet ist.
74
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1.2 Gold-Nanopartikel mit 3-Mercaptopropansäure
Der zweite Vertreter der aliphatischen Thiole ist die 3-Mercaptopropansäure (MPS). Bei
der Synthese der Nanopartikel mit diesem Liganden erhält man am Ende eine farblose
Dispersion. Mit diesem Befund fällt die MPS aus der Reihe, da alle anderen Liganden
Dispersionen mit kräftiger Farbigkeit erzeugen. Diese Beobachtung lässt darauf schließen, dass besonders kleine Nanopartikel vorliegen, bei denen kein sichtbares Licht mehr
absorbiert wird (Vgl. Kapitel 3.2).
Die 3-Mercaptopropansäure besitzt zwei CH2 -Gruppen, welche im 1H-NMR-Spektrum
zwei Tripletts erzeugen, die chemische Verschiebungen von 2,53 und 2,75 ppm besitzen.
Dies ist mit einer Zuordnung in Abbildung 6.12 oben zu sehen, wo das aufgenommene
Spektrum abgebildet ist. Aufgrund der Einflüsse der funktionellen Gruppen wurde das
Signal a, die Methylen-Gruppe neben der Thiol-Funktion, dem Signal bei 2,75 ppm zugeordnet, während die zweite CH2 -Gruppe eine Verschiebung von 2,53 ppm besitzt.[180]
Eine Anbindung dieses Liganden an die Gold-Nanopartikel führt wie zuvor bei der Mercaptoethansäure zu einer größeren Signalanzahl als zu erwarten wäre. Im mittleren Spektrum
in Abbildung 6.12 ist das 1H-NMR-Spektrum der Nanopartikel bei einer Grundfrequenz
von 300 MHz gezeigt, um einmal zu verdeutlichen, wie groß der Unterschied in der Auflösung zwischen den beiden Spektrometern ist. Bei allen Signalen handelt es sich um
Multipletts, die unsymmetrisch aussehen und daher nicht klar erkennen lassen, um was
für eine Art Verbindung es sich handelt. Auch sind die Signale erneut relativ breit, zeigen
jedoch Aufspaltungen und Kopplungsmuster, weswegen von einer Überlagerung von mehreren Signalen ausgegangen werden kann. Zusätzlich ist zu beobachten, dass die neuen
Signale eine signifikant höhere chemische Verschiebung aufweisen, als es beim reinen Liganden der Fall ist. Unter Berücksichtigung der vorherigen Ergebnisse wird angenommen,
dass die kleinen Multipletts der Methylen-Gruppe an der Thiol-Funktion zugeordnet werden können. Unter dieser Annahme erfahren die Signale eine Verschiebungsänderung von
maximal 0,78 ppm. Nimmt man an, dass die zweite Methylen-Gruppe das große Multiplett
bei 2,75 pm erzeugt, so beträgt deren Verschiebungsänderung nur ca. 0,16 ppm.
Der Effekt der Knight-Verschiebung wirkt damit in diesem System unterschiedlich stark
auf die beiden CH2 -Gruppen, was mit einem unterschiedlich großen Abstand zu Partikeloberfläche erklärt werden kann. Damit stimmen die Beobachtungen für diesen Liganden
sehr gut mit den vorherigen Messungen für die Nanopartikel mit Mercaptoethansäure
überein. Das gemessene 1H-Spektrum der Nanopartikel ist in Abbildung 6.12 unten gezeigt. Die kleinen Signale bei ca. 2,8 und 2,9 ppm (*) lassen sich dem Disulfid der 3Mercaptopropansäure zuordnen.[188] Sie tauchen bei den gezeigten Spektren immer wieder auf, da sich Thiole vom Nanopartikel unter Oxidation zum Disulfid abspalten. Das
kleine Triplett bei etwa 3,45 ppm kann keiner Verbindung zugeordnet werden, da die zweite Methylen-Gruppe von anderen Signalen verdeckt wird. Wegen der großen chemischen
Verschiebung handelt es sich eventuell um ein Oxidationsprodukt, z.B. die Sulfonsäure.
75
2,78
2,75
2,73
2,55
2,53
2,50
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
O
3,8
3,6
4,0
3,8
3,6
3,4
3,56
4,0
3,0
2,8
3,2
3,0
2,8
3,39
3,35
3,4
3,63
3,62
3,2
3,8
3,6
2,4
2,2
ppm
2,6
2,4
2,2
ppm
2,4
2,2
ppm
b
a
4,0
2,6
2,69
b
b
a
OH
2,76
2,75
2,73
HS
3,31
a
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
Abb. 6.12: 1H-NMR-Spektren von freier MPS (oben, 300 MHz) und MPS, koordiniert
an Gold-Nanopartikel (mitte, 300 MHz und unten, 600 MHz).
Mit der Aufnahme eines Korrelationsspektrums von diesem System sollte geklärt, ob es
sich bei der Aufspaltung der Signale tatsächlich um Kopplungen handelt. Das erhaltene
Spektrum ist in Abbildung 6.13 gezeigt und lässt Kreuzpeaks, die symmetrisch um die
Diagonale des Spektrums liegen, erkennen. Die beiden Signale der Multipletts um 3,37 und
3,62 ppm koppeln jeweils mit dem großen Multiplett bei 2,75 ppm. Damit lässt sich die
zuvor gemachte Annahme der Zuordnung der Signale bestätigen. Die Methylen-Gruppe
in Nachbarschaft zur Thiol-Gruppe ist stärker verschoben und erzeugt zwei Gruppen
von Signalen, ähnlich der Methylengruppe im Fall der Mercaptoethansäure. Im Gegenzug
liefert die zweite Methylen-Gruppe ein Multiplett, unter dem sich viele Signale verbergen.
Da in keinem anderen Bereich des Spektrums Kopplungen gefunden wurden, ist davon
auszugehen, dass die beiden CH2 -Gruppen noch in Nachbarschaft sind. Dieses Ergebnis
76
6 Ergebnisse und Diskussion
stellt einen Hinweis darauf dar, dass sich auch im Fall der 3-Mercaptopropansäure diese
chemisch nicht verändert hat.
a
b
ppm
2,0
2,5
b
3,0
3,5
a
4,0
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0 ppm
Abb. 6.13: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
MPS.
Aufgrund der Komplexität der Multipletts lassen sich bisher keine genauen Aussagen
über den Zustand der Liganden machen. Jedoch kann aufgrund des Korrelationsspektrums davon ausgegangen werden, dass die Struktur des Liganden unverändert geblieben
ist. Um die Annahme zu überprüfen, ob es sich tatsächlich immer noch um zwei Methylengruppen handelt, wurde mit Hilfe eines J-ausgelösten NMR-Spektrums versucht, die
Informationen der Kopplungen von der chemischen Verschiebung zu trennen. Bei einem
solchen Experiment werden die Informationen der Kopplungen in eine zweite Dimension
(F1-Richtung) „gedreht“. Projiziert man das erhaltene 2D-Spektrum auf die F2-Achse,
so erhält man formal ein 1H-entkoppeltes 1H-NMR-Spektrum, in dem alle Multipletts zu
Singuletts vereinfacht worden sind. Aus dieser Projektion lassen sich nach wie vor die chemischen Verschiebungen ablesen. Die Informationen über die Kopplungskonstanten lassen
sich dann auf der F1-Achse ablesen.[150] Wie in der Abbildung 6.14 deutlich zu erkennen
ist, handelt es sich bei den Signalen durchgängig um Tripletts, die sich stark überlagern.
Mit diesem Ergebnis steht fest, dass auch die 3-Mercaptopropansäure wie auch das leichtere Analogon keiner chemischen Umwandlung unterliegt, denn die beiden benachbarten
Methylengruppen liegen auch noch nach der Reaktion vor. In der Projektion des Spektrums kann durch die Vereinfachung der Multipletts die Anzahl an Verbindungen gezählt
werden. Lässt man die zuvor beschriebenen Signale des Disulfids und der unbekannten
Substanz bei 3,45 ppm heraus, so bleiben fünf Signale im Bereich der größeren chemischen
Verschiebung, während um 2,75 ppm vier Singuletts zu finden sind. Unter der Annahme,
dass es dennoch zu Überlagerungen kommt, verbergen sich fünf verschiedene Spezies hinter den ursprünglichen Multipletts. Abschließend lässt sich in diesem Spektrum ablesen,
77
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
dass die Kopplungskonstanten für alle Komponenten mit 7 – 8 Hz annähernd gleich sind.
Dieser Wert ist laut Literatur für aliphatische, vicinale Protonen zu erwarten.[166]
Hz
10
5
0
−5
−10
−15
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
ppm
Abb. 6.14: J-aufgelöstes Spektrum (500 MHz) von Gold-Nanopartikeln, stabilisiert mit
MPS.
Als nächste NMR-Technik wurde von diesen Gold-Nanopartikeln ein HSQC-Spektrum
aufgenommen, um Informationen über die Kohlenstoff-Atome zu gewinnen. Wie auch
im Fall der Mercaptoethansäure ist im dargestellten Spektrum in Abbildung 6.15 nur
der aliphatische Bereich zwischen 20 und 50 ppm in der F1-Richtung abgebildet, da die
Carboxyl-Kohlenstoffatome mit dieser Technik nicht detektiert werden können. Auch bei
der 3-Mercaptopropansäure ist es möglich, die 13C-Signale indirekt zu detektieren. Die beiden Methylen-Gruppen haben jeweils Kopplungen zu einer Sorte Kohlenstoff-Atome, die
unterschiedlich große Verschiebungen aufweisen. Die erste Hälfte der 13C-Signale liegt zwischen 30 und 35 ppm und koppelt mit den weiter verschobenen Proton-Signalen zwischen
3,2 und 3,6 ppm. Dagegen zeigen die Kohlenstoff-Atome im Bereich um 40 – 45 ppm Kopplungen zu den Protonen im großen Multiplett um ca. 2,6 – 2,8 ppm. Diese Beobachtung
zeigt, dass die Thiol-Gruppe die benachbarten Protonen stärker entschirmt und damit
weiter verschiebt, als eine Carboxyl-Gruppe. Jedoch entschirmt die Carboxyl-Gruppe das
angebundene Kohlenstoff-Atom deutlich stärker als die Thiol-Gruppe. Diese Effekte sind
aus der Literatur bekannt und sollen anhand zweier, einfacher Verbindungen in Tabelle
6.5 veranschaulicht werden.[166]
78
6 Ergebnisse und Diskussion
Tab. 6.5: Beispiele chemischer Verschiebungen von Protonen und Kohlenstoffatomen.[166]
Verbindung
δ( 1H) / ppm
δ( 13C) / ppm
H H
C
H3C
SH
2,56
19,1
H H
C
H3C
COOH
2,36
27,5
Eine Analyse des Effektes der Knight-Verschiebung entspricht erneut den vorherigen Ergebnissen. Laut Datenbanken beträgt die 13C-Verschiebung der Methylen-Gruppe am
Schwefel etwa 19 ppm. Mit einem mittleren Wert von 32 ppm erfährt dieses Signal somit eine Verschiebungsänderung von ca. 13 ppm. Für die zweite Methylen-Gruppe werden
für den freien Liganden chemische Verschiebungen von 39 ppm angegeben. Der Wert nach
der Koordination an die Nanopartikel beträgt etwa 43 ppm, woraus sich eine Verschiebungsänderung von etwa 4 ppm errechnet. Auf diese Weise ist somit auch eine Zuordnung
der Signale möglich.
b
a
ppm
25
13
30 d( C)
35
40
45
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
50
2,0 ppm
1
d( H)
Abb. 6.15: HSQC-Spektrum von MPS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Zur vollständigen Erfassung der beteiligten Atome wurde auch für diese Nanopartikel
abschließend ein HMBC-Spektrum aufgenommen. Dieses Spektrum in Abbildung 6.16
umfasst in F1-Richtung den kompletten, gängigen Bereich für Kohlenstoff-Atome (0 und
200 ppm). Mit diesem Spektrum werden die bisherigen Ergebnisse noch einmal untermauert, da zu erkennen ist, dass die Protonen des Multipletts bei 2,6 – 2,8 ppm mit dem
Carboxyl-Kohlenstoff-Atomen im Bereich bei 178 ppm koppeln. Gegenüber der Datenbank liegt damit keine Änderung vor, womit der Einfluss der Knight-Verschiebung ab
dem dritten Kohlenstoff-Atom scheinbar verschwindet. Außerdem ist zu erkennen, dass
79
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
die Protonen der beiden CH2 -Gruppen mit dem jeweils anderen Kohlenstoff-Atom koppeln. Des Weiteren ist in diesem Spektrum auch eine Kopplung zwischen den Protonen
nahe der Oberfläche und der Carboxyl-Gruppe zu sehen. Die entspricht einer 4 J(H,C)Kopplung. Dies spiegelt die hohe Empfindlichkeit des Spektrometers wieder, da dieses
Signal trotz geringer Konzentration und kleiner Kopplung von ca. 0,3 – 0,5 Hz detektiert
wurde.[189]
b
a
ppm
50
13
d( C)
100
150
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0 ppm
1
d( H)
Abb. 6.16: HMBC-Spektrum von MPS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Das HSQC- und das HMBC-Spektrum machen deutlich, dass der Ligand chemisch unverändert ist. Im Fall der 3-Mercaptopropansäure lässt sich durch die unterschiedlich stark
auftretenden Effekte der Knight-Verschiebungen auch ableiten, dass die Liganden mit dem
Schwefel an die Oberfläche binden und die Carboxyl-Gruppe von der Oberfläche weg zeigt,
da der Kohlenstoff der Carboxyl-Gruppe kaum eine Verschiebungsänderung aufweist.
Außerdem wurden dank des J-aufgelösten Spektrums im Vergleich mit der Mercaptoethansäure, wo neun Signale zu den Partikeln gezählt wurden, deutlich weniger Spezies
gefunden. Unter der Annahme, dass die Verschiebungen durch die Knight-Verschiebung
verursacht werden, kann eine Reduzierung der Spezies durch Erhöhung der Symmetrie der Partikel erklärt werden. Demzufolge wären die Partikel einheitlicher und hätten weniger Vorzugsrichtungen. Zur Bestätigung dieser Annahme wären hochauflösende
Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen nötig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden
jedoch keine Bilder erhalten, da die Proben nicht rein genug für die Messungen waren.
Die Partikel zeigen im UV/vis-Spektrum keine Absorption im Bereich der Plasmonenschwingungen, was dafür sprechen würde, dass sie zu klein sind. Aufgrund des farblosen
Zustandes der Dispersion war dieses Ergebnis in der Form zu erwarten. Die Absorption
im Bereich von 350 – 400 nm lässt sich durch die Carboxyl-Gruppe erklären, wo die freien
80
6 Ergebnisse und Diskussion
Elektronenpaare und die Elektronen der Doppelbindung in die antibindenden Orbitale
angeregt werden.
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.17: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit MPS.
Bei der Bestimmung der Partikelgröße mittels dynamischer Lichtstreuung ergab sich ein
Wert von ca. 34 nm. Dieser stark erhöhte Wert zeigt, dass die Methode der DLS für solch
kleine Partikel nur begrenzt geeignet ist. Eventuelle Aggregate oder minimale Verunreinigungen in der Probe verfälschen die Ergebnisse stark, wodurch der hydrodynamische
Durchmesser größer angegeben wird, als er tatsächlich ist. Dagegen wird mit der differentiellen Zentrifugalsedimentation eine Größe von 1,7 nm erhalten, was wie zuvor sehr gut
mit bekannten Literatur-Werten übereinstimmt.[57,114] Die jeweiligen Graphen der beiden
Messungen sind nachfolgend in Abbildung 6.18 dargestellt.
1,0
35
25
rel. Intensität
Anzahl [%]
30
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.18: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit MPS.
Als dritte Bestimmung der Partikelgröße wurden die Partikel mit Hilfe der diffusionsgewichteten NMR-Spektroskopie analysiert. Diese ergab, dass alle Moleküle, die die gemessenen Signale erzeugen, mit der gleichen Geschwindigkeit diffundieren (Vgl. Abbildung
6.19). Somit sind auch in diesem System sämtliche organische Moleküle an die Oberfläche
81
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
der Nanopartikel gebunden. Unerwartet ist, dass auch die Signale, die dem Disulfid zugeordnet wurden scheinbar absorbiert sind. Dies war zuvor bei der Mercaptoethansäure
nicht beobachtet worden.
lg(D)
−11
−10
−9
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
−8
ppm
Abb. 6.19: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von MPS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Eine Auftragung der Messdaten im Stejskal-Tanner-Plot zeigt über einen großen Bereich
eine lineare Abhängigkeit der Signaldämpfung vom Gradienten (Abbildung 6.20). Die
Regressionsgerade hat hierbei eine Steigung von −1,977, was einem Diffusionskoeffizienten von 1,977 · 10−10 m2 s−1 entspricht. Dieser Wert führt zu einem hydrodynamischen
Durchmesser von ca. 2,0 nm. Damit stimmen diese Werte sowohl mit den Messungen der
differentiellen Zentrifugalsedimentation als auch mit dem System der Mercaptoethansäure
sehr gut überein.
0
-1
y = −1,977 · 10-10 · x + 0,044
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.20: Stejskal-Tanner-Plot zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit MPS.
Zur Berechnung der Ausbeute wurde mit der Atomabsorptionsspektroskopie die Menge an Gold in einer Dreifachbestimmung gemessen. Die erhaltenen Messwerte sind im
82
6 Ergebnisse und Diskussion
Folgenden in Tabelle 6.6 aufgelistet. Die Messergebnisse zeigen einen durchschnittlichen
Goldgehalt von 944 µg. Daraus lässt sich eine Ausbeute von 95,8 % berechnen, womit auch
die 3-Mercaptopropansäure bestens für die Darstellung von Gold-Nanopartikeln verwendet werden kann.
Tab. 6.6: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit MPS stabilisierten
Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
98,0
94,8
980
948
99,5
96,2
90,4
904
91,8
83
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
6.1.3 Gold-Nanopartikel mit 6-Mercaptohexansäure
Bei der 6-Mercaptohexansäure (MHS) handelt es sich um die längste aliphatische Mercaptocarbonsäure in diesen Untersuchungen. Sie besitzt sechs Kohlenstoffatomen mit fünf
Methylen-Gruppe. Durch ihren erhöhten sterischen Anspruch schützt sie die Partikel besser vor Agglomeration als die vorherigen Liganden, was sich visuell in einer beobachtbaren
längeren Stabilität äußert.
Die fünf CH2 -Gruppen führen im 1H-NMR-Spektrum zu vier Signalen, wie in Abbildung
6.21 oben zu erkennen ist. Entsprechend der Zuordnung wird Multiplett bei 1,63 ppm
durch die Überlagerung der Methylen-Gruppen b und d verursacht. Wie auch bei der 3Mercaptopropansäure ist das am weitesten verschobene Signal bei ca. 2,58 ppm den Protonen direkt benachbart zur Thiol-Gruppe zuzuordnen (a). Das Signal bei ca. 2,22 ppm
wird von der CH2 -Gruppe an der Carboxylgruppe erzeugt (e). Somit ergibt sich für die
mittlere Methylen-Gruppe (c) eine chemische Verschiebung von 1,44 ppm. An die Nanopartikel koordiniert, erscheinen für die 6-Mercaptohexansäure im 1H-NMR-Spektrum
fünf Signale. (Abbildung 6.21 unten) Diese besitzen wie zuvor bei den anderen Liganden
bereits beobachtet größere chemische Verschiebungen als der freie Ligand und sind stark
verbreitert. Dabei zeigt eine Analyse des Integrals des Signals bei 1,61 ppm, dass es sich
um vier Protonen handelt, die dieses Signale erzeugen.
Unter Einbeziehung der bisher gemachten Beobachtungen zur Verschiebungsänderung lassen sich die in Tabelle 6.7 zusammengefassten Werte ermitteln. Das Signal a erfährt somit auch in diesem Fall zwei verschieden starke Verschiebungsänderungen, die sich auf
ca. 0,83 – 0,56 ppm belaufen. Die benachbarte Methylen-Gruppe b unterliegt nur noch
einer Änderung von etwa 0,25 ppm, wogegen die mittlere CH2 -Gruppe c nur noch um
0,17 ppm verschoben ist. Die übrigen Signale zeigen dagegen keine signifikanten Änderungen mehr. Auffällig ist, dass das Signal e sowohl keine Verschiebung aufweist, als auch
wesentlich schmaler ist, als die anderen Signale. Somit zeigt sich, dass der Einfluss der
Signal-Verbreiterung ebenfalls vom Abstand zur Partikeloberfläche abhängt.
Tab. 6.7: Chemische Verschiebungen der Protonen von MHS und MHS koordiniert an
Gold-Nanopartikel sowie die relative Änderung.
Gruppe
δ(MHS) / ppm
δ(MHS@AuNP) / ppm
Änderung / ppm
a
b
2,58
1,63
3,41; 3,14
1,88
0,83; 0,56
0,25
c
d
e
1,44
1,60
2,22
1,61
1,61
2,22
0,17
0,01
0,0
Bei den Signalen um 1,2 und 1,3 ppm (*) handelt es sich um Verunreinigungen in der
Probe, die nicht näher zugeordnet werden konnten.
84
3,5
OH
3,0
2,25
2,22
2,20
1,70
1,68
1,65
1,63
1,60
1,57
1,55
1,44
1,42
e
a
b+d
2,5
a
2,0
c
1,5
1,61
e
1,88
c
2,22
a
3,41
4,0
O
d
b
3,14
HS
2,61
2,58
2,56
6 Ergebnisse und Diskussion
e
b
c+d
ppm
* *
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
ppm
Abb. 6.21: 1H-NMR-Spektren von freier MHS (oben, 300 MHz) und MHS, koordiniert
an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
In Anlehnung an die beiden Liganden zuvor wird bestätigt, dass die Verschiebungsänderung mit zunehmendem Abstand zur Partikeloberfläche abnimmt. Das bestätigt gleichzeitig ebenfalls, dass auch die 6-Mercaptohexansäure mit der Thiol-Gruppe gebunden
und radial zu dem Partikel ausgerichtet ist. Aufgrund der Länge des Liganden wäre eine
cyclische Anordnung denkbar gewesen, bei der sowohl der Schwefel als auch der Sauerstoff aus der Carboxyl-Gruppe an die Gold-Oberfläche koordiniert. Dies ist nach diesen
Ergebnissen jedoch auszuschließen.
Abbildung 6.22 zeigt das Korrelationsspektrum der Gold-Nanopartikel, die mit MHS stabilisiert wurden. Ähnlich der 3-Mercaptopropansäure koppeln die kleinen, am weitesten
verschobenen Signale zusammen nur mit dem Signal bei 1,88 ppm, welches der Gruppe b
zugeordnet wurde. Die Analyse der weiteren Kopplungen zueinander zeigt zudem, dass es
sich bei dem Signal bei 2,22 ppm um die andere terminale Gruppe des Kohlenstoffgerüstes
handeln muss. Dies bestätigt die Überlegungen aus dem 1H-NMR-Spektrum, dass es sich
bei dem Signal um die äußere Methylengruppe handelt, die durch ihren Abstand zum
Nanopartikel elektronisch weniger beeinflusst ist.
85
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
e
a
b
c+d
ppm
c+d
1,5
b
2,0
e
2,5
3,0
a
3,5
4,0
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0 ppm
Abb. 6.22: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
MHS.
Die Messung eines HSQC-Spektrums ist in diesem System ebenfalls möglich, zeigt jedoch,
dass es durch die Überlagerung der verschiedenen Methylen-Gruppen deutlich schwieriger wird, Signale zuzuordnen. Mit Ausnahme der Gruppe a koppeln die Protonen jeder
CH2 -Gruppe scheinbar mit jeweils einem Kohlenstoff-Atom. Bei der Methylen-Gruppe a
lassen sich zwei verschiedene Kopplungen erkennen, die Werte von ca. 33 und 38 ppm
besitzen. Ein solcher Unterschied zwischen diesen Signalen wurde zuvor auch beobachtet. Die restlichen Beobachtungen stellen einen deutlichen Unterschied zu den vorherigen
Partikel-Systemen, in denen unter den Multipletts jeweils mehrere Kopplungen zu erkennen waren, dar. Eventuell sind längere Messungen mit mehr Inkrementen und mehr Scans
pro Inkrement nötig, um die Auflösung dieses Spektrums zu erhöhen.
86
6 Ergebnisse und Diskussion
e
a
b
c+d
ppm
25
13
30
d( C)
35
40
45
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
50
1,0 ppm
1
d( H)
Abb. 6.23: HSQC-Spektrum von MHS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
Die Messung des HMBC-Spektrums im Fall der 6-Mercaptohexansäure führt zu einem
Spektrum mit relativ schlechten Signal/Rausch-Verhältnis. Jedoch ist die Kopplung des
Protonensignals, das der Methylen-Gruppe e zugeordnet ist, zu einem Kohlenstoff-Signal
im Bereich von 180 ppm klar zu erkennen. Des Weiteren findet man zwei weitere Kopplungen dieser Protonen, die jeweils zu den benachbarten Methylen-Gruppen gehören. Als
einzige weitere signifikante Kopplung erscheint im Spektrum nur ein Signal zwischen dem
Multiplett bei 1,61 ppm und 25 ppm. Eventuelle weitere Kopplungen gehen im Rauschen
unter.
e
a
b
c+d
ppm
50
13
d( C)
100
150
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0 ppm
1
d( H)
Abb. 6.24: HMBC-Spektrum von MHS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (600 MHz).
87
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
In dem System mit 6-Mercaptohexansäure ist im Gegensatz zu den vorherigen Nanopartikeln eine deutliche Plasmonenresonanz im Bereich um 513 nm zu erkennen. Somit sollten
in der Probe Partikel vorhanden sein, die einen Durchmesser von über 2 nm aufweisen.
Die starke Absorption im UV-Bereich wird durch die organische Hülle des Partikels hervorgerufen, da die Elektronen der Carboxyl-Gruppe unter UV-Strahlung angeregt werden
können.
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.25: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit MHS.
Die Größenbestimmung der mit 6-Mercaptohexansäure stabilisierten Partikel liefert mit
Hilfe der dynamischen Lichtstreuung einen Wert von 7 nm. Dieses Ergebnis scheint sich
gut in die bisherigen Daten zu fügen, sollte aber wie zuvor erwähnt mit Vorsicht betrachtet
werden. Mit der Scheibenzentrifuge wird eine Größe von 1,7 nm bestimmt. Beide Werte
passen in Anbetracht der Fehlerquellen der Messmethoden gut zusammen und in das
Gesamtbild der Untersuchungen. Beide Graphen der Messmethoden sind nachstehend in
Abbildung 6.26 dargestellt.
1,0
35
25
rel. Intensität
Anzahl [%]
30
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.26: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit MHS.
Für die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten wurde von einer Probe dieser Partikeln ein
diffusionsgewichtetes NMR-Spektrum aufgenommen. Abbildung 6.27 zeigt dieses Spek-
88
6 Ergebnisse und Diskussion
trum, in dem wieder zu erkennen ist, dass sich sämtliche Signale mit dem gleichen Diffusionskoeffizienten bewegen. Demzufolge sind alle Moleküle, die diese Signale erzeugen,
an die Partikel gebunden. Außerdem ist die Breite dieser Signale relativ klein, was auf
eine schmale Größenverteilung hindeutet. Das am oberen Rand dargestellte Spektrum
wurde am 500 MHz-Spektrometer aufgenommen, dessen Auflösungsvermögen signifikant
schlechter ist als das des 600 MHz-Spektrometers, an dem das in Abbildung 6.21 gezeigte
Spektrum aufgenommen wurde. Daher sind hier keine Aufspaltungen an den Signalen zu
erkennen.
lg(D)
−11
−10
−9
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
−8
1,0 ppm
Abb. 6.27: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von MHS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Aus den erhaltenen Daten der Diffusionsmessung ist eine gute lineare Korrelation zwischen der Signaldämpfung und dem Gradienten zu finden. Der Graph dieser Daten ist
in Abbildung 6.28 zu sehen. Für die Regressionsgerade konnten alle Signale genutzt werden. Diese Gerade hat eine Steigung von −1,490, woraus sich ein Diffusionskoeffizient
von 1,490 · 10−10 m2 s−1 ermitteln lässt. Durch Anwenden der Stokes-Einstein-Gleichung
mit den Parametern aus Kapitel 6.1.1 errechnet man einen hydrodynamischer Durchmesser von 2,7 nm. Dieser Wert ist signifikant größer als der aus der DCS bestimmte
Durchmesser. Dies liefert aber einen Hinweis darauf, dass die Partikel einen Durchmesser
von über 2 nm besitzen, wodurch die Plasmonenresonanz erklärt werden kann. Der zu
kleine Wert der Scheibenzentrifuge kann durch den zuvor beschriebenen Nachteil erklärt
werden. Durch die Größe des Liganden auf dem Partikel nimmt die mittlere Dichte des
Partikels ab, wodurch die Scheibenzentrifuge die Größe unterschätzt. Dass die Partikel
im Gegensatz zur Mercaptoethansäure und der 3-Mercaptobenzoesäure größer sind, kann
mit dem Reaktionsverhalten erklärt werden. Im sauren Milieu des Reaktionsgemisches
ist die 6-Mercaptohexansäure schlechter löslich, so dass sie in Verbindung mit dem Gold
teilweise ausfällt. Wird nun das Gold reduziert, so ist die lokale Konzentration an Gold
recht groß, wodurch die Partikel schneller wachsen und größer werden. Dieses Problem
89
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
ließe sich umgehen, indem während der Reaktion ein basischer pH-Wert eingestellt wird.
Allerdings würde dann das Gold in Form von Gold(III)-hydroxid (Au(OH)3 ) ausfallen.
0
y = −1,490 · 10-10 · x − 0,007
-1
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.28: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit MHS.
In Kooperation mit dem Ernst-Ruska-Zentrum in Jülich wurden von den Nanopartikeln
transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen angefertigt. Leider lieferten nur zwei
Proben verwertbares Bildmaterial, weil die anderen Proben nicht rein genug waren. Augenscheinlich war der Anteil an organischen Molekülen in den Proben zu hoch, weswegen
keine scharfen Bilder erhalten werden konnten. Die Abbildung 6.29 zeigt zwei Bilder aus
dem Transmissionselektronenmikroskop von Gold-Nanopartikeln, stabilisiert mit MHS.
Für die Bestimmung der durchschnittlichen Größe wurden die Durchmesser von 35 Partikeln gemessen. Als Ergebnis wird ein Partikeldurchmesser von ca. 1,6 nm erhalten, der sich
sehr gut mit den Werten der Scheibenzentrifuge und dem DOSY-Experiment deckt, da
dieser nur die Größe des metallischen Kerns berücksichtigt. Mit einer angenommenen CC-Bindungslänge von 154 pm erhält man für die Länge des Liganden bei sechs Bindungen
und den Winkeln zwischen den Bindungen etwas weniger als 1 nm. Auf den Durchmesser
bezogen macht die Hülle also weniger als 2 nm aus. Somit ist die Korrelation zwischen
dem HR-TEM, dem DOSY-Spektrum und der DCS sehr gut.
90
6 Ergebnisse und Diskussion
5 nm
2 nm
Abb. 6.29: HR-TEM-Aufnahme von Gold-Nanopartikeln, stabilisiert mit MHS.
Die AAS-Ergebnisse der Dreifachbestimmung sind in Tabelle 6.8 aufgezeigt. Der durchschnittliche Goldgehalt beträgt 890 µg. Bei einer eingesetzten Goldmenge von 985 µg ergibt
sich daraus eine durchschnittliche Ausbeute von 90,3 %. Der kleine Verlust an Gold kann
91
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
über das teilweise Auffallen während der Reaktion erklärt werden, wodurch kleine Teile
eventuell nicht reduziert und anschließend bei der Aufreinigung entfernt wurden.
Tab. 6.8: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit MHS stabilisierten
Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
85,5
91,7
89,7
855
917
897
86,8
93,1
91,1
92
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1.4 Gold-Nanopartikel mit ortho-Mercaptobenzoesäure
Nach den aliphatischen Mercaptoalkansäuren wurde untersucht, ob auch aromatische
Thiole in der Lage sind, die Gold-Nanopartikel zu stabilisieren. Außerdem sollte mit Hilfe
der NMR-Spektroskopie geprüft werden, ob die Effekte der Knight-Verschiebung ebenfalls
so ausgeprägt sind. Für diese Untersuchungen wurden die Mercaptobenzoesäure-Derivate
als einfachste Vertreter ausgewählt, um die Spektren möglichst übersichtlich zu halten.
Als erstes sollen die Ergebnisse der ortho-Mercaptobenzoesäure (o-MBS) vorgestellt werden. Es handelt sich bei dieser Verbindung um das Schwefelanalogon zur Salicylsäure, bei
dem die Hydroxyl-Gruppe am Benzolring durch eine Thiol-Gruppe ausgetauscht wurde.
Bei der Synthese der Partikel mit den aromatischen Liganden galt es zunächst die Aufreinigung zu optimieren. Erste Versuche zeigten deutlich, dass das entstehende Disulfid
nicht über die Ausfällung im sauren Milieu und der anschließenden Zentrifugation entfernt werden kann, da es ebenfalls unter sauren Bedingungen schwer löslich ist. Dieser
Trend nimmt von der ortho- über die meta- zur para-Mercaptobenzoesäure deutlich zu.
Zur Entfernung der unerwünschten Nebenprodukte wurde die Dispersion auf einen basischen pH-Wert eingestellt und mit Diethylether und Toluol extrahiert. Dies führte zu
einer erfolgreichen Aufreinigung im Falle der ortho-Mercaptobenzoesäure. Die resultierenden 1H-NMR-Spektren der ungebundenen o-MBS mit Zuordnung und der Nanopartikel
sind in Abbildung 6.30 gezeigt. Bei dem freien Thiol ist das typische Kopplungsmuster
eines 1,2-substituierten Benzolrings zu erkennen. Dieses besteht aus zwei Dubletts (Signale a und d) und zwei Tripletts (Signale b und c). Im Fall des aromatischen Systems ist
das Proton in Nachbarschaft zu der Carboxyl-Gruppe das, welches die größere chemische
Verschiebung aufweist. Auch bei den aromatischen Liganden ist nach der Koordination
an die Nanopartikel der Trend zu höheren Verschiebungen und verbreiterten Signalen zu
erkennen. Der Effekt der Verschiebung ist im Gegensatz zu den aliphatischen Liganden
mit maximal 0,75 ppm etwas schwächer ausgeprägt. Die Verbreiterung der Signale ist allerdings in einem größeren Ausmaß zu beobachten, so dass auch nach einer Messung am
600 MHz-Spektrometer keine Feinaufspaltungen erkannt werden können. Daher ist eine
genaue Zuordnung der Signale nicht möglich.
Bei den Signalen zwischen 7,68 und 7,73 ppm handelt es sich um zwei Dubletts, die dem
entstandenen Disulfid zuzuordnen sind. Zum Vergleich befindet sich im Anhang ein Spektrum des dargestellten Disulfids der ortho-Mercaptobenzoesäure in Abbildung 10.9.
93
a
O
c
a
SH
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
8,0
7,5
6,5
7,0
ppm
6,25
8,5
8,18
8,17
9,0
7,94
7,73
7,72
7,69
7,68
7,38
7,36
7,24
7,14
d
d c b
OH
6,87
b
7,43
7,40
7,16
7,14
7,11
7,08
7,06
7,02
7,00
6,97
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
6,5
ppm
Abb. 6.30: 1H-NMR-Spektren von freier o-MBS (oben, 300 MHz) und o-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Die Messung eines COSY-Spektrums (Abb. 6.31) ergab, dass zwischen den Signalen kaum
messbare Kopplungen bestehen. Das Signal/Rausch-Verhältnis ist sehr schlecht, wodurch
es noch schwieriger einzuschätzen ist, ob es sich um Signale handelt oder bereits das Rauschen einsetzt. Die scheinbaren Signale können aber eher als Rauschen eingestuft werden,
da in diesem Spektrum die Symmetrie fehlt. Ein 1H, 1H-Korrelationsspektrum weist für
gewöhnlich bei allen Signalen eine Spiegelsymmetrie entlang der Spektrumdiagonalen auf.
Dies ist hier für einen großen Teil der Signale nicht der Fall, weswegen bezweifelt werden
kann, ob es sich dabei um echte Signale handelt. Dies trifft auch auf die kleineren Signale
zu, die aufgrund ihres schmalen Erscheinens eher gelösten Spezies zuzuschreiben sind.
94
6 Ergebnisse und Diskussion
ppm
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0 ppm
Abb. 6.31: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
o-MBS.
Ein Problem der Nanopartikel, die mit o-MBS funktionalisiert sind, ist die Stabilität. Sie
neigen in relativ kurzer Zeit zur Abspaltung des Liganden als Disulfid. Infolge dessen
kommt es besonders in diesem System auch schnell zum Ausfallen des Goldes als makroskopischer Feststoff. Die Carboxyl-Gruppe steht in ortho-Position zur Thiol-Funktion und
ist damit zur Oberfläche gerichtet. Daher wäre eine sterische Abstoßung des Liganden von
der Partikeloberfläche eine mögliche Ursache für die stark verringerte Stabilität. Aufgrund
des Problems mit der Stabilität und der daraus folgenden zunehmenden Verunreinigung
während der Messung der Probe wurde auf weitere Experimente mit diesem Liganden
verzichtet. Besonders bei Messungen über längere Zeit wird das Spektrum durch das sich
abspaltende Disulfid verfälscht. Da dies dann intensive scharfe Signale ergibt, werden die
Signale der Partikel überlagert, oder das Signal/Rausch-Verhältnis nimmt ab, wodurch
Intensität verloren geht.
Die UV/vis-Analyse der Partikel zeigt eine deutlich sichtbare Plasmonenresonanz. Die im
ultravioletten Bereich auftretende Absorption wird hier durch zwei funktionelle Gruppen
hervorgerufen. Beide Absorptionen gehen ineinander über und überlagern sich. Neben
der Carboxyl-Gruppe verursacht auch der aromatische Ring eine starke charakteristische
Absorption im ultravioletten Bereich zwischen 200 und 400 nm. Das Auftreten der Plasmonenresonanz bei etwa 500 nm liefert wieder den Hinweis darauf, dass die Nanopartikel
eine Größe von über 2 nm besitzen müssen.
95
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.32: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit o-MBS.
Mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung wurde eine Partikelgröße von um die 38 nm
erhalten. Dieser Wert ist verhältnismäßig groß und wird für weitere Betrachtung außer
Acht gelassen. Ursache für diesen Wert könnten Agglomerate sein, die sich aufgrund des
Problems mit der Löslichkeit gebildet haben. Darüber hinaus ergab die Bestimmung der
Partikelgröße mit der differentiellen Zentrifugalsedimentation einen mittleren Wert des
Partikeldurchmessers von 3,7 nm, womit die Partikel in diesem System etwas größer sind,
als die Partikel mit den aliphatischen Liganden. Dies hatte sich, wie zuvor erwähnt, im
UV/vis-Spektrum bereits angedeutet.
1,0
30
rel. Intensität
Anzahl [%]
25
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.33: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit o-MBS.
Ähnlich den vorherigen Messungen ist im DOSY-Spektrum zu erkennen, dass alle 1HNMR-Signale den gleichen Diffusionskoeffizienten besitzen, wobei die Signale eine signifikant breitere Verteilung besitzen als die aliphatischen Proben zuvor. Auch ist auffällig,
dass sich die Signale, die dem Disulfid zugeordnet werden, ebenfalls mit dem gleichen Diffusionskoeffizienten bewegen. Diese Probleme entstehen durch die zuvor erwähnte mangelhafte Stabilität dieser Partikel. Die sich abspaltenden Disulfid-Moleküle verfälschen die
Messung zu stark. Das Spektrum am oberen Rand des DOSY-Spektrums wurde nach der
96
6 Ergebnisse und Diskussion
Messung aufgenommen. Es wurde an dieser Stelle eingefügt, da die DOSY-Signale zwischen 7,8 und 7,2 ppm sonst nicht zu erklären gewesen wären. Vor der Messung wurden
die Signale des Disulfids noch nicht detektiert. Die Abspaltung geschah somit im Laufe
der Messung.
lg(D)
−11
−10
−9
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
−8
6,0 ppm
Abb. 6.34: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von o-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Die Auftragung der DOSY-Daten in einem Stejskal-Tanner-Plot führte zu einer gut korrelierenden Gerade über die erste Hälfte der Signale. Aus der Steigung lässt sich ein
Diffusionskoeffizienten von 3,582 · 10−10 m2 s−1 ermitteln, womit sich durch Einsetzen in
die Stokes-Einstein-Gleichung eine Partikelgröße von nur 1,0 nm ergibt. Dieser Wert fällt
vollkommen aus der Reihe, was damit zu begründen ist, dass durch Überlagerung der
Partikel-Signale mit den Signalen des gebildeten Disulfids nur ein gemittelter Wert für
den Diffusionskoeffizienten erhalten werden konnte. Da die Messungen zeitlich lange dauern, spaltet sich währenddessen eine zu große Menge an Disulfid ab. Eine Verkürzung
der Messzeit führte jedoch zu nicht ausreichenden Signalintensitäten, so dass durch das
schlechte Signal/Rausch-Verhältnis keine Ergebnisse erzielt werden konnten. Somit ist dieser erhaltene Wert als stark fehlerbehaftet zu beurteilen. Die ortho-Mercaptobenzoesäure
ist somit der einzige Ligand der Untersuchungen, dessen Nanopartikel nicht über ein
DOSY-Spektrum quantitativ charakterisiert werden konnten.
97
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
0
-1
y = −3,582 · 10-10 · x + 0,015
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.35: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit o-MBS.
Die erhaltenen Ausbeuten der mit o-MBS stabilisierten Gold-Nanopartikel zeigen eine
relativ starke Abweichung zueinander. Im Mittel wird ein Goldgehalt von 857 µg gemessen. Daraus errechnet sich eine Ausbeute von 87 %, die nur unwesentlich niedriger als bei
der aliphatischen Liganden ist. Die mitunter großen Ausbeuteverluste lassen sich durch
das Ausfallen während der Reaktion erklären. Die Löslichkeit des Liganden ist im sauren
Milieu sehr schlecht, weswegen er ausfällt und in Verbindung mit Gold als Gold-ThiolatKomplex dieses der Reduktion entzieht. Dadurch werden die Partikel zum einen größer wie
bei der 6-Mercaptohexansäure, jedoch ist die Löslichkeit der ortho-Mercaptobenzoesäure
signifikant schlechter. Beim anschließenden Wasch- und Extraktionsvorgang kann der
Komplex dann entfernt werden.
Tab. 6.9: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit o-MBS stabilisierten
Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
87,1
77,3
92,7
871
773
927
88,4
78,5
94,1
98
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1.5 Gold-Nanopartikel mit meta-Mercaptobenzoesäure
Als zweites aromatisches Derivat wurde die meta-Mercaptobenzoesäure (m-MBS) zur
Stabilisierung der Nanopartikel eingesetzt. Ihre Löslichkeit ist schlechter als beim orthoDerivat, was sich auf die Ergebnisse auswirkt. Bei der Aufreinigung des Liganden muss
wie zuvor bei der o-MBS die Dispersion mit Ether und Toluol extrahiert werden, damit
das gebildete Disulfid entfernt wird.
Das obere Spektrum in Abbildung 6.36 zeigt die freie meta-Mercaptobenzoesäure, bei
der es sich um ein 1,3-substituiertes Benzol-Derivat handelt, inklusive einer Zuordnung
der Signale. Damit ergibt sich als Kopplungsmuster ein Triplett (Signal c), zwei Dubletts
(Signale b und d) und ein Singulett (Signal a), welche jeweils eine signifikante Feinaufspaltung besitzen.
An die Nanopartikel gebunden, ergibt sich eine Vielzahl an Signalen, an welchen trotz
der Messung an einem 600 MHz-Spektrometer keine Kopplungen mehr erkannt werden
können. Wie in den Beispielen zuvor haben die Signale mit einer Ausnahme auch hier
eine größere chemische Verschiebung. Auch sind alle Signale wieder stark verbreitert.
Damit können wie zuvor beim ortho-Derivat keine aussagekräftigen Zuordnungen gemacht
O
9,0
8,5
8,0
8,0
b d
7,5
c
7,0
7,5
6,5
ppm
6,52
8,5
8,32
9,0
8,04
HS
a
OH
7,41
d
a
7,51
7,48
7,43
7,41
7,19
7,16
7,14
b
7,80
c
7,82
werden.
7,0
6,5
ppm
Abb. 6.36: 1H-NMR-Spektren von freier m-MBS (oben, 300 MHz) und m-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Trotz ähnlicher Ergebnisse im 1H-NMR-Spektrum wie zuvor bei der den Nanopartikeln
mit o-MBS wurde ein COSY-Spektrum der Nanopartikel mit m-MBS aufgenommen (Ab-
99
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
bildung 6.37). Zwischen den Signalen konnten auch in diesem Fall keine Kopplung detektiert werden. Die Kreuzpeaks, die erkennbar sind, zeigen ebenfalls keine Symmetrie zur
Spektrumdiagonalen, weswegen auch in diesem System zu bezweifeln ist, dass es sich um
echte Signale handelt. Somit ist auch der Zustand dieses Liganden auf dem Partikel an
dieser Stelle unklar.
ppm
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0 ppm
Abb. 6.37: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
m-MBS.
Aufgrund der ähnlich großen Probleme mit der Stabilität wurden keine weiteren NMRExperimente mit diesem Liganden durchgeführt, da in diesem Fall ebenso das Disulfid als
dominante Spezies auftrat und die Signale der an den Nanopartikel koordinierten Liganden
überlagert hat. Außerdem wäre zu erwarten, dass bei einer solchen Überlagerung der 1HNMR-Signale die Signale des 13C-Kohlenstoffs ähnlich stark überlagert vorliegen. Daher
hätte es sicherlich auch keine weiteren Erkenntnisse über dieses Systems gebracht, ein
HSQC- oder HMBC-Spektrum aufzunehmen.
Das sehr ähnliche Verhalten dieser Partikel setzt sich auch bei der Messung des UV/visSpektrums fort. Das Auftreten einer Plasmonenresonanz in Abbildung 6.38 bedeutet, dass
die Partikel wie beim ortho-Derivat einen Durchmesser von über 2 nm besitzen. Die zu
erkennende starke Absorption im UV-Bereich wird wie zuvor bei der o-MBS von der
Carboxyl-Gruppe und dem aromatischen Ring verursacht.
100
6 Ergebnisse und Diskussion
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.38: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit m-MBS.
Die Analyse der Partikelgröße mit der dynamischen Lichtstreuung ergab einen Wert um
die 32 nm. Damit gleicht die m-MBS in diesem Ergebnis ebenfalls der o-MBS, was bedeutet, dass dieser Wert nicht sonderlich aussagekräftig ist. Das Ergebnis der differentiellen
Zentrifugalsedimentation beträgt 3,0 nm, womit diese Partikel in diesem System etwas
kleiner sind als zuvor mit o-MBS. Der größere Durchmesser im Vergleich zu den aliphatischen Systemen entspricht nach dem UV/vis-Spektrum den Erwartungen.
30
1,0
rel. Intensität
Anzahl [%]
25
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.39: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit m-MBS.
Im Vergleich mit den bisherigen Daten verhalten sich die beiden aromatischen Thiole bislang nahezu identisch. Jedoch war es trotz der vorherigen Probleme in den NMR-Spektren
möglich, ein DOSY-Spektrum der mit m-MBS stabilisierten Nanopartikel aufzunehmen
(Abbildung 6.40). Es ist zu erkennen, dass sich alle Moleküle mit annähernd gleichem
Diffusionskoeffizienten bewegen. Auch wenn sie im gezeigten Spektrum nicht zu erkennen
sind, zeigt das DOSY doch, dass das Disulfid in der Probe vorhanden ist. Die Bereiche
der Signale die größere Diffusionskoeffizienten zeigen, stimmen genau mit den Verschiebungen des Disulfids überein. Um das hervorzuheben ist im Anhang in Abbikldung 10.10
ein Spektrum des Disulfids der meta-Mercaptobenzoesäure dargestellt. Dadurch werden
101
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
die erhaltenen Werte für den Diffusionskoeffizienten leicht verfälscht sein. Aber auch ohne
diese Abweichungen sind die Signale des DOSY-Spektrums breit und deuten somit eine
größere Verteilung der Diffusionskoeffizienten an.
lg(D)
−11
−10
−9
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
−8
6,0 ppm
Abb. 6.40: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von m-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Die Auftragung der Daten in einem Stejskal-Tanner-Plot (Abbildung 6.41) zeigt wie erwartet, dass zwei verschiedene Regressionsgeraden zu betrachten sind, da die Signale
eine Änderung der Steigung erfahren. Aus der ersten Steigung ergibt sich ein Diffusionskoeffizient von ca. 2,009 · 10−10 m2 s−1 . Dieser Wert ergibt eingesetzt in die StokesEinstein-Gleichung einen Partikeldurchmesser von ca. 2 nm. Dieser ist im Vergleich mit
der Scheibenzentrifuge kleiner, weswegen davon ausgegangen werden kann, dass hier möglicherweise durch das Disulfid verfälscht wurde, da sich der Signal-Anteil des Disulfids
schneller abbaut als der der Nanopartikel. Im Bereich der zweiten Steigung ist das Signal des Disulfids schätzungsweise abgeklungen, weswegen hier ein Diffusionskoeffizienten
von 1,307 · 10−10 m2 s−1 erhalten wird. Daraus wird ein hydrodynamischer Durchmesser
von 3,1 nm errechnet. Dieser Wert, wenn auch immer noch eventuell etwas verfälscht, ist
in guter Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Scheibenzentrifuge. Damit entsprechen
diese Werte den Beobachtungen des DOSY-Spektrums.
102
6 Ergebnisse und Diskussion
0
-10
y = −2,009 · 10 · x + 0,002
-1
-10
y = −1,307 · 10 · x − 0,350
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
4
Abb. 6.41: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit m-MBS.
Bei der Ausbeutebestimmung dieses Systems fällt ein deutlicher Verlust von Gold auf.
Der durchschnittliche Gold-Gehalt lag nur noch bei etwa 812 µg, was einer Ausbeute von
82,5 % entspricht. Auch hier liegt die Erklärung wie zuvor in der schlechten Löslichkeit
des Liganden. In der leicht sauren Reaktionslösung fällt dieser aus und kann somit nicht
zur Stabilisierung genutzt werden. Damit bleibt ein Teil des Goldes in Form des GoldThiolat-Komplexes zurück, welcher dann bei der Ether-Extraktion entfernt wird.
Tab. 6.10: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit m-MBS stabilisierten Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
84,3
77,6
843
776
85,6
78,8
81,8
818
83,0
103
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
6.1.6 Gold-Nanopartikel mit para-Mercaptobenzoesäure
Die para-Mercaptobenzoesäure (p-MBS) ist ein 1,4-substituierter Benzolring und stellt
das dritte aromatische Derivat zur Stabilisierung von Gold-Nanopartikeln dar. Im 1HNMR-Spektrum (Abb. 6.42 oben) werden zwei Dubletts bei 7,58 und 7,41 ppm detektiert.
Die Protonen in Nachbarschaft zur Carboxyl-Gruppe weisen hier den größeren Wert für
die chemische Verschiebung auf. Aufgrund der schlechten Löslichkeit des Liganden und
des als Nebenprodukt entstehenden Disulfids (vgl. Abbildung 10.11 im Anhang) ist eine Aufreinigung der so dargestellten Nanopartikel eine Herausforderung. Auch durch die
Extraktion mit Ether und Toluol konnte das Disulfid nicht vollständig entfernt werden.
Die Messung eines 1H-NMR-Spektrums der stabilisierten Nanopartikel (Abb. 6.42 unten) ergab einen signifikanten Unterschied zu allen vorherigen Messungen. Zwar sind die
neuen Signale stark verbreitert, jedoch besitzen sie eine kleinere chemische Verschiebung.
Dieses Ergebnis ist unerwartet, da immer davon auszugehen ist, dass die Signale in die
andere Richtung verschoben sind. Aufgrund fehlender Vergleichsmöglichkeiten kann die
O
HS
OH
8,5
8,0
9,0
8,5
8,0
7,5
7,83
7,81
7,64
7,62
9,0
b
a
7,5
7,0
6,5
ppm
6,5
ppm
7,02
b
7,20
a
7,59
7,56
7,42
7,39
Richtigkeit dieses Verhaltens nicht eingeschätzt werden.
7,0
Abb. 6.42: 1H-NMR-Spektren von freier p-MBS (oben, 300 MHz) und p-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Im COSY-Spektrum in Abbildung 6.43 verhält sich die para-Mercaptobenzoesäure wie die
zuvor betrachteten, aromatischen Derivate. Es lässt sich bestenfalls die Andeutung einer
Kopplung zwischen den breiten Signalen erkennen. Zwischen den scharfen Signalen, die
dem Disulfid zugeordnet wurden, sind dagegen deutliche Kopplungen zu erkennen. Auch
104
6 Ergebnisse und Diskussion
für die para-Mercaptobenzoesäure wurden aufgrund dieser Befunde keine vertiefenden
NMR-Experimente durchgeführt, denn die Verunreinigungen in Form des Disulfids ließen
sich nicht entfernen und würden anschließende Experimente stören.
ppm
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0 ppm
Abb. 6.43: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
p-MBS.
Im gemessenen UV/vis-Spektrum sind die gleichen Beobachtungen zu machen wie in den
Fällen der anderen Benzoesäure-Derivate. Die gefundene Plasmonenresonanz im Bereich
um 540 nm spricht erneut für etwas größere Nanopartikel, während die starke Absorption
im ultravioletten Bereich durch die funktionellen Gruppen der Liganden hervorgerufen
werden.
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.44: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit p-MBS.
Auch bei der Bestimmung der Partikelgröße gibt es gute Übereinstimmungen mit den
vorherigen, aromatischen Liganden. So ergab die die Messung mit der dynamischen Licht-
105
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
streuung eine mittlere Größe von 37 nm, wohingegen die differentielle Zentrifugalsedimentation einen Wert von 4,2 nm ausgab. Beide Graphen sind in Abbildung 6.45 gezeigt.
1,0
25
rel. Intensität
Anzahl [%]
20
15
10
5
0
0,5
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.45: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit p-MBS.
Der Versuch, ein DOSY-Spektrum aufzunehmen, hatte nur bedingt Erfolg. Wie im Spektrum in Abbildung 6.46 zu erkennen ist, weisen die Signale, die ursprünglich dem Disulfid
zugeordnet wurden, einen deutlich größeren Diffusionskoeffizienten auf. Aber im Untergrund dieser beiden Signale scheinen noch weitere, sehr breite Signale zu liegen. Die
breiten Signale, die mutmaßlich den Partikeln zugeschrieben werden können, weisen in
dieser Probe eine signifikant geringere Intensität auf.
lg(D)
−11
−10
−9
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
−8
6,0 ppm
Abb. 6.46: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von p-MBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Wie mit Blick auf das DOSY-Spektrum zu erwarten war, führt die Auftragung der Daten
auch hier zu zwei Diffusionskoeffizienten, die sich aber deutlicher unterscheiden als bei der
m-MBS zuvor. Aus der Steigung der ersten Gerade leitet sich ein Diffusionskoeffizient von
1,969 · 10−10 m2 s−1 ab. Der so errechnete hydrodynamische Durchmesser beträgt 2,0 nm
106
6 Ergebnisse und Diskussion
und wäre damit wieder kleiner, als das Ergebnis der DCS angibt. Nach dem Abklingen
des ersten Signals, welches durch das Disulfid hervorgerufen wird, ergibt sich eine zweite Gerade mit deutlich abweichender Steigung. Als zweiten Diffusionskoeffizient erhält
man so einen Wert von 0,907 · 10−10 m2 s−1 . Daraus errechnet sich ein hydrodynamischer
Partikeldurchmesser von 4,4 nm. Dieser Wert würde sehr gut zu dem erhaltenen Wert
der differentiellen Zentrifugalsedimentation passen, jedoch ist er wegen des Aussehens des
Spektrums eher als fehlerhaft einzustufen.
0
-10
y = −1,969 · 10 · x + 0,024
-1
ln(I/I0)
-2
-10
y = −0,907 · 10 · x − 1,735
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
4
Abb. 6.47: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit p-MBS.
Die p-MBS ist der zweite Ligand, bei dem es gelang, in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich ein hochaufgelöstes Bild mit dem Transmissionselektronenmikroskop anzufertigen. Die beiden Bilder in Abbildung 6.48 zeigen Partikel mit einer Größe von 2 – 5 nm.
Durch die Größenbestimmung von 35 Partikeln lässt sich eine durchschnittliche Größe von
3,7 nm bestimmen. Schätzt man für die Länge des Liganden auch hier etwas weniger als
1 nm ab, und betrachtet den systematischen Fehler der Scheibenzentrifuge durch die Abweichung der Dichte, passen diese Werte sehr gut zueinander.
Auf der unteren Aufnahme ist zu erkennen, dass der große Partikel am unteren Bildrand
einkristallin zu sein scheint, während man bei den anderen teilweise Korngrenzen erkennen
kann. Diese Nanopartikel sind also mehrheitlich nicht einkristallin, sondern stellen trotz
ihrer geringen Größe verzwillingte Kristalle dar. Diese Beobachtung ist in der Literatur
bei Gold- als auch Silber-Nanopartikeln bekannt.[185,190,191]
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
107
5 nm
2 nm
Abb. 6.48: HR-TEM-Aufnahme von Gold-Nanopartikeln, stabilisiert mit p-MBS.
Der Effekt der schlechten Löslichkeit bei der p-MBS spiegelt sich auch in den Ausbeuten
wider. Dabei bestätigt sich der Trend, dass eine schlechtere Löslichkeit des Liganden zu
einer geringeren Partikelausbeute führt. Im Durchschnitt lag der Gold-Gehalt bei lediglich
108
6 Ergebnisse und Diskussion
778 µg. Die daraus errechnete durchschnittliche Ausbeute an Gold-Nanopartikeln betrug
79,0 %.
Tab. 6.11: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit p-MBS stabilisierten Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
71,8
79,5
82,2
718
795
822
72,9
80,7
83,5
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
109
6.1.7 Gold-Nanopartikel mit para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure
Nach den Ergebnissen der aliphatischen Liganden und der Mercaptobenzoesäure-Derivate
sollte mit der para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure p-MMBS eine Verbindung verwendet
werden, die für die NMR-Spektroskopie beide Eigenschaften vereint. Zwischen dem aromatischem Benzolring und der Thiol-Funktion befindet sich hier noch eine CH2 -Gruppe. Des
Weiteren verfügt sie in para-Position über eine Carboxyl-Gruppe, die bei Deprotonierung
für die Stabilisierung der Nanopartikel benutzt wird.
Im 1H-NMR-Spektrum des Edukts lassen sich das Singulett der Methylen-Gruppe bei
3,74 ppm und zwei Dubletts bei 7,42 und 7,82 ppm erkennen (Vgl. Abbildung 6.49 oben).
Die Probe, die die Nanopartikel enthält, liefert ein NMR-Spektrum, das von den intensiven Signalen her nahezu identisch ist (vgl. Abbildung 6.49 unten). Diese Beobachtung
ist unerwartet, da für die Methylen-Gruppe durch die erwartete Disulfid-Bildung eine
signifikant abweichende chemische Verschiebung auftreten sollte (vgl. Tabelle 6.1). Abgeschätzt mit einer Inkrement-Rechnung würde ein um 0,45 ppm höherer Wert für die
Methylen-Gruppe zu erwarten sein.[180] Für das fehlende Signal der Nanopartikel sei folgende Überlegung als Begründung gegeben. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der
aliphatischen Liganden lässt sich der Wert für die chemische Verschiebung abschätzen.
In vorherigen Messungen lag die Verschiebungsänderung für die Methylen-Gruppen in
der Nähe der Gold-Oberfläche bei ca. 0,8 – 0,9 ppm. Daraus errechnet sich für die eine
chemische Verschiebung für die Methylen-Gruppe der an die Partikel koordinierten pMMBS von ca. 4,5 – 4,6 ppm. Dieses Signal würde somit sehr nah am Wasser-Signal liegen
und eventuell überlagert werden. Durch die Unterdrückung des selbigen würde es dann
ebenfalls unterdrückt werden. Im aromatischen Bereich des Spektrums fällt auf, dass die
Basislinie nicht gerade verläuft. Das legt die Vermutung nahe, dass hier eventuell ähnlich breite Signale wie zuvor bei den anderen aromatischen Liganden überlagert werden.
Diese würden dann kaum durch die Knight-Verschiebung beeinflusst werden, was in den
aromatischen Systemen zuvor ähnlich war.
110
b
c
O
a
8,0
8,5
8,0
7,5
HS
7,0
a
OH
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
7,85
7,84
7,36
7,34
8,5
b
7,5
7,0
ppm
3,71
c
3,74
7,83
7,80
7,43
7,40
6 Ergebnisse und Diskussion
ppm
Abb. 6.49: 1H-NMR-Spektren von freier p-MMBS (oben, 300 MHz) und p-MMBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Das 1H, 1H-Korrelationsspektrum liefert, wie aus dem 1H-NMR-Spektrum zu erwarten
war, keine Informationen. Die zu sehende Kopplung zwischen den aromatischen Protonen
und der Methylen-Gruppe ist nur für das Disulfid zu erkennen. Ein Nachweis für die zuvor
gemachten Überlegungen wäre ein Kreuzpeak bei 4,8 ppm zu den aromatischen Signalen.
Unter den gegebenen Messbedingungen wäre es nicht möglich gewesen, diese Kopplung zu
detektieren. Grund dafür ist die angewendete Wasserunterdrückung, die das Signal, was
bei ca. 4,8 ppm vermutet wird, ebenfalls unterdrückt. Gleichzeitig geht dadurch auch die
Information über die dazugehörige Kopplung verloren. Zur Bestätigung dieser Überlegung
müsste das Experiment ohne Wasserunterdrückung wiederholt werden.
111
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
ppm
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5
ppm
Abb. 6.50: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
p-MMBS.
Wenn auch p-MMBS im NMR keine klaren Aussagen zulässt, so entspricht das UV/visSpektrum den Erwartungen. Es ist eine breite Absorption bei ca. 500 nm zu erkennen,
die durch die Plasmonenschwingungen verursacht wird. Durch den hohen Anteil an organischen Molekülen ist die Absorption um UV-Bereich entsprechend stark ausgeprägt.
Wie bei den übrigen, aromatischen Liganden liegt hier der Grund in den funktionellen
Gruppen des Liganden, die in diesem Bereich besonders absorbieren. Die Anwesenheit
der Plasmonenresonanz liefert nach den Spektren einen Hinweis darauf, dass Nanopartikel synthetisiert wurden.
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.51: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit p-MMBS.
Etwas überraschend ist das Ergebnis der dynamischen Lichtstreuung, die im Gegensatz
zu den anderen aromatischen Liganden einen Wert von ca. 4,0 nm ausgibt. Mit der differentiellen Zentrifugalsedimentation wird ein Partikeldurchmesser von 2,2 nm ermittelt.
112
6 Ergebnisse und Diskussion
Offenbar kommt es aufgrund der aliphatischen Methylen-Gruppe zu Bildung kleinerer
Partikel im Gegensatz zu den anderen aromatischen Systemen. Damit bestätigt dieses
Ergebnis die UV/vis-Messung und zeigt, dass auch mit diesem Liganden ultrakleine Partikel synthetisiert werden können.
30
1,0
rel. Intensität
Anzahl [%]
25
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.52: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit p-MMBS.
Das DOSY-Spektrum bietet ein ähnliches Bild wie in den Fällen der Mercaptobenzoesäure-Derivate. Es ist ersichtlich, dass die Nanopartikel als zweite Spezies von den scharfen
Signalen des Disulfids überdeckt werden. Dessen Signale im Spektrum besitzen einen deutlich größeren Diffusionskoeffizienten, während die nicht erkennbaren Signale langsamer
diffundieren. Bestätigen lässt sich diese Theorie mit dem Signal für die Methylen-Gruppe,
was ebenfalls eindeutig zu der schnelleren Substanz gehört. Das vermutete Signal der
Methylen-Gruppe der an die Partikel gebundenen Spezies wird nicht detektiert, obwohl
nicht unter Wasserunterdrückung gemessen wurde.
lg(D)
−11
−10
−9
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
−8
ppm
Abb. 6.53: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von p-MMBS, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
113
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
Die Auswertung der Daten auch dem DOSY-Spektrum (Abbildung 6.54) ergibt wie erwartet zwei unterschiedliche Steigungen. Im ersten Teil des Graphen erhält man für den
Diffusionskoeffizienten einen Wert von 3,3921 · 10−10 m2 s−1 , was zu einem hydrodynamischen Durchmesser von 1,2 nm führt. Ein solcher Wert liegt unter den erwarteten Ergebnissen und kann eventuell eher als eine Art hydratisiertes Disulfid betrachtet werden,
was aufgrund der hohen Konzentration im diesem System detektiert wird. In anderen
Systemen war die Probe dagegen reiner, weswegen eine solche Spezies nicht gefunden
werden konnte. Im zweiten Teil des Graphen lässt sich eine zweite Gerade erkennen. Die
Datenpunkte zeigen zwar eine deutliche Streuung, sind aber signifikant stetig abfallend.
Für den zweiten Diffusionskoeffizienten lässt sich ein Wert von 1,271 · 10−10 m2 s−1 ablesen. Durch Anwendung der Stokes-Einstein-Gleichung erhält man eine Partikelgröße von
3,1 nm. Betrachtet man die Ergebnisse der Scheibenzentrifuge, so ist zu erkennen, das der
zweite Wert eher den Erwartungen entspricht. Somit lässt sich die Partikelgröße trotz der
Probleme in den NMR-Spektren bestimmen.
0
-10
y = −3,392 · 10 · x + 0,016
-1
ln(I/I0)
-2
-3
-10
y = −1,272 · 10 · x − 1,776
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
4
Abb. 6.54: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit p-MMBS.
Eine Analyse des Gold-Gehaltes in den Proben führte zu einem mittleren Gehalt von
859 µg in der Probe. Die durchschnittliche Ausbeute ist mit 87,2 % im Gegensatz zu den
anderen aromatischen Systemen wieder deutlich erhöht. Die Daten stehen nachfolgend in
Tabelle 6.12. Dies ist insofern unerwartet, da die Löslichkeit der para-(Mercaptomethyl)benzoesäure noch schlechter ist als bei den Liganden zuvor. Aus ungeklärten Gründen
scheint die Methylen-Gruppe auf die Bildung der Nanopartikel einen positiven Einfluss zu
haben, denn in den Fällen der aliphatischen Liganden wurden stets sehr hohe Ausbeuten
erzielt.
114
6 Ergebnisse und Diskussion
Tab. 6.12: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit p-MMBS stabilisierten Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
89,4
82,7
894
827
90,8
84,0
85,7
857
87,0
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
115
6.1.8 Gold-Nanopartikel mit CG
Als erster Versuch, komplexere adsorbierte Moleküle zu analysieren, wurde das kleine
Dipeptid CG für die Synthese der Gold-Nanopartikel verwendet. Dieses besteht aus den
beiden Aminosäuren Cystein und Glycin. Über die Thiol-Gruppe des Cysteins soll der
Ligand an die Gold-Oberfläche binden können. Interessant an diesem Ligand ist, dass er
ebenfalls über das Stickstoff-Atom an den Nanopartikel binden könnte, denn Amine lassen
sich ebenfalls sehr gut zur Stabilisierung von Nanopartikeln einsetzen.
Als Vorversuch wurde versucht, mit Cystein Nanopartikel zu synthetisieren. Nach der
Zugabe des Natriumborhydrids hatte die entstehende Dispersion einen bräunlichen Farbton, der jedoch schnell in schwarz überging. Kurz darauf war makroskopisch ausfallendes
Gold im Reaktionskolben zu erkennen. Cystein allein ist nicht in der Lage, die Partikel
zu stabilisieren. Grund ist wohl der geringe sterische Anspruch und der ungefähr neutrale pH-Wert in der Lösung während der Reaktion, wodurch auch die elektrostatische
Abstoßung nicht mehr gegeben ist.
Bei dem Dipeptid verhält sich die Reaktion anders. Durch den erhöhten sterischen Anspruch kann es die Nanopartikel während der Reaktion stabil halten, bevor anschließend
durch die Zugabe von Ammoniak eine negative Ladung auf der Oberfläche generiert wird.
Bei der Aufreinigung der Partikel mussten auch hier Änderungen vorgenommen werden.
Aufgrund des amphoteren Charakters des Dipeptids fallen die Partikel im wässrigen Medium nicht aus, wenn die Dispersion angesäuert wird. Durch die Protonierung der AminoGruppe wird eine positive Ladung auf der Oberfläche generiert, wodurch sich die Partikel
abstoßen können. Im Gegenzug würden sie in einem basischen Milieu auch nicht ausfallen, da dann die Carboxyl-Gruppe deprotoniert ist und dadurch eine negative Ladung
auf den Partikeln liegt. Aus diesem Grund wurde für die Aufreinigung ein Spin-Filter
verwendet. Dieser besteht aus einem Zentrifugen-Röhrchen, in dem sich eine Membran
befindet. Diese besitzt einen Ausschlussgrenze von ca. 3 kDa, wodurch es sich hiermit um
einen Prozess der Ultrafiltration handelt. Die Nanopartikel werden zurückgehalten, während die gelösten Spezies durch die Membran diffundieren können. Die so aufgereinigten
Partikel können abschließend getrocknet werden, um das Restwasser zu entfernen, bevor
sie in Deuteriumoxid dispergiert werden.
Das 1H-NMR-Spektrum und eine Zuordnung der Signale des Dipeptids sind in Abbildung
6.55 oben gezeigt. Dabei liefern die Protonen des Cysteins gemäß den Erwartungen ein
Dublett und ein Triplett. Das gebundene Glycin weist für seine Methylen-Gruppe ein stark
aufgespaltenes Quartett auf. Grund dafür ist der diastereotope Charakter der MethylenGruppe. Das bedeutet, dass die beiden scheinbar äquivalenten Protonen nicht mehr äquivalent sind, weil eine Drehung um eine Bindung gehindert ist. Nach einer Koordination
an den Nanopartikel besitzt das 1H-NMR-Spektrum ein diffuses Multiplett an Signalen
(Abbildung 6.55 unten). Legt man eine ähnliche Schätzung wie zuvor bei der p-MMBS zu
Grunde, so könnte das Signal a des Dipeptids bei einer Änderung um 0,8 – 0,9 ppm einen
116
6 Ergebnisse und Diskussion
neuen Wert von ca. 3,9 – 4,0 ppm besitzen. Dagegen könnte es bei dem Signal b, wo man
eine Verschiebungsänderung von etwa 0,25 ppm annehmen kann, zu einem neuen Wert
von etwa 4,5 ppm kommen, womit dieses Signal eventuell durch die Wasserunterdrückung
nicht detektiert werden konnte. Für die Protonen des Glycins wird keine signifikante Änderung der chemischen Verschiebung erwartet. Die Multiplett-Struktur lässt leider keine
3,12
3,10
3,92
3,86
3,82
3,76
4,27
4,25
4,23
genauen Rückschlüsse auf den Zustand des Liganden zu.
c
b
a
O
H2N b
HS
4,5
5,0
4,5
4,0
3,5
N
H
OH
O
3,0
2,5
ppm
3,0
2,5
ppm
3,92
3,89
3,81
3,76
3,67
3,53
3,42
5,0
a
c
4,0
3,5
Abb. 6.55: 1H-NMR-Spektren von freiem CG (oben, 300 MHz) und CG koordiniert an
Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Um weitere Informationen zu erhalten, wurde ein 1H, 1H-Korrelationsspektrum aufgenommen. Dargestellt ist dies nachfolgend in Abbildung 6.56. Die Tatsache, dass keine Kopplungen beobachtet werden können, lässt sich durch die folgenden Überlegungen erklären.
Zunächst wird eine mögliche Kopplung zwischen den Protonen des Cysteins möglicherweise durch die Wasserunterdrückung während der Messung nicht detektiert. Des Weiteren
sollte es zwischen den beiden Aminosäuren über die Peptidbindung hinweg zu keinen
messbaren Kopplungen kommen. Damit entspricht dieses Spektrum genau den Erwartungen.
117
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
ppm
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 ppm
Abb. 6.56: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
CG.
Um diese Annahme zu bestätigen wäre eine Messung des Protonen-NMR-Spektrums unter
Einbeziehung der Diffusion möglich. Es gibt eine Messmethode, die sich als eine Art
eindimensionales DOSY-Spektrum bezeichnen lässt. Dabei handelt es sich sozusagen um
ein einzelnes Inkrement der DOSY-Messung mit einem definierten Gradienten. Ähnlich
der Messung der Diffusionskoeffizienten ist eine Echo-Sequenz die Grundlage dieser PulsFolge. In der Diffusionszeit kommt es dann zu einer Dephasierung des Wassersignals,
wodurch dieses im Spektrum unterdrückt wird. Durch diese Technik können Signale, die
verdeckt werden, verlustfrei wieder sichtbar gemacht werden.
Die Messung eines UV/vis-Spektrums liefert auch bei diesen Partikeln eine deutliche Plasmonenresonanz um 525 nm. Aufgrund der funktionellen Gruppen ist die Absorption im
ultravioletten Bereich hier besonders ausgeprägt, da sowohl die Carboxyl-Gruppe als auch
die Peptid-Bindung Anregungen aufweisen. So gibt es hier sowohl Anregungen der Doppelbindungen als der freien Elektronenpaare in unbesetzte Orbitale.
118
6 Ergebnisse und Diskussion
1,0
0,8
Absorbtion
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
800
Abb. 6.57: Normalisiertes UV/vis-Spektrum der Gold-Nanopartikel mit CG.
Die Bestimmung der Größe durch die dynamische Lichtstreuung ergab einen Wert von
3,6 nm, der generell sehr gut zu den bisherigen Werten passt. Im Graphen der differentiellen Zentrifugalsedimentation sind zwei Signale zu erkennen. Dabei liegt das größere bei
etwa 1,7 nm, was sich somit sehr gut in die Reihe der aliphatischen Liganden fügt. Das
zweite breite Signal um 15 nm ist der Agglomeration geschuldet. Wahrscheinlich ist die
Redispersion der Nanopartikel im Ultraschallbad nicht ausreichend. Während der Ultrafiltration in der Zentrifuge kommt es teilweise zur Ausfällung der Partikel. Grund dafür
ist vermutlich der ungefähr neutrale pH-Wert während des Waschens, weswegen sich keine Ladung auf den Partikeln befindet. Wegen des amphoteren Charakters des Liganden
können sich intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Partikeln ausbilden,
wodurch sich stabile Agglomerate ausbilden können.
1,0
30
rel. Intensität
Anzahl [%]
25
20
15
10
0,5
5
0
0,0
0,1
1
10
100
Durchmesser / nm
1000
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.58: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit CG.
Zur dritten Bestimmung der Partikelgröße wurde wieder ein diffusionsgewichtetes NMRSpektrum aufgenommen. Die Signale entsprechen vom Ergebnis her den gemachten Erfahrungen mit den aliphatischen Liganden. Die erhaltenen Signale sind eher schmal verteilt
und bis auf ein Signal, das offenbar einen größeren Diffusionskoeffizienten besitzt, bewegen sich alle Signale mit der gleichen Geschwindigkeit. Dieses herausfallende Signal fällt
119
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
auch im 1H-NMR-Spektrum zuvor durchaus auf, konnte aber nicht näher identifiziert werden. Die Tatsache, dass es sich um ein Singulett handelt, könnte auf Glycin hindeuten,
welches durch die Spaltung des Liganden freigesetzt wurde. Dies sollte aber nicht im Rahmen der Reduktion geschehen sein, da Natriumborhydrid nicht aktiv genug ist, um eine
Peptidbindung bzw. ein Carbonsäureamid zu reduzieren.
lg(D)
−11
−10
−9
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
−8
2,0 ppm
Abb. 6.59: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von CG, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Die Auftragung der DOSY-Daten ein einem Stejskal-Tanner-Plot führt zeigt eine sehr gute
lineare Abhängigkeit der Signaldämpfung von der Gradientenstärke. Über den gesamten
ergibt sich eine stetig fallende Gerade, deren Steigung −0,985 beträgt. Der Diffusionskoeffizient beträgt in diesem System somit 0,984 · 10−10 m2 s−1 . Über die StokesEinsteinGleichung errechnet sich ein hydrodynamischer Durchmesser von ca. 4,0 nm. Im Rahmen
der Messgenauigkeit passen die erhaltenen Ergebnisse der Größenbestimmung sehr gut
zueinander, denn die DCS unterschätzt die Partikelgröße systematisch.
0
y = −0,984 · 10-10 · x − 0,062
-1
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.60: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit CG.
120
6 Ergebnisse und Diskussion
Die Bestimmung der Gold-Konzentration zeigt, dass in den Proben durchschnittlich etwa
721 µg Gold enthalten waren. Dies entspricht einer mittleren Ausbeute von nur 73,2 %
(Vgl. Tabelle 6.13). Eine mögliche Erklärung könnte in der Struktur des Liganden liegen. Durch die funktionellen Gruppen stellt das Dipeptid einen Chelat-Liganden dar, der
theoretisch fünf Stellen aufweist, über den er an ein Metall koordinieren kann. Strukturell
wäre es vorstellbar, dass drei Bindungen zum Gold ausgebildet werden, und dass dieser
Komplex dann zu stabil ist, um vollständig reduziert zu werden. Die nicht-reduzierten
Spezies verbleiben in Lösung und werden bei der Ultrafiltration entfernt.
Tab. 6.13: AAS-Messergebnisse und Ausbeutebestimmungen der mit CG stabilisierten
Gold-Nanopartikel mittels AAS.
Konzentration / mg L−1
Goldgehalt / µg
Ausbeute / %
63,6
69,6
636
696
64,6
70,7
83,0
830
84,3
Auch wenn die NMR-Spektren keine exakten Aussagen über den Liganden zulassen, zeigen
die Ergebnisse, dass das Dipeptid zur Synthese und Stabilisierung von Nanopartikeln
geeignet ist. Lediglich das Problem mit der Agglomeration durch die Zentrifugation sollte
behoben werden.
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
121
6.1.9 Gold-Nanopartikel mit CGGRGD
Nach dem Dipeptid wurde als letzter Ligand ein Hexapeptid eingesetzt. Dieses ist der größte dieser Untersuchungen und besteht aus sechs Aminosäuren. Die Sequenz dieses Peptids
lautet Cys-Gly-Gly-Arg-Gly-Asp. Sein isoelektrischer Punkt liegt etwa bei 5,83.b Auch hier
soll die Thiol-Gruppe des endständigen Cysteins für die Bindung an den Nanopartikel verwendet werden. Die beiden Glycin-Einheiten dienen nur dem Abstandhalten. Die zweite
Hälfte dieser Sequenz mit Arginin, Glycin und Asparaginsäure wird kurz RGD-Sequenz
genannt. Diese wurde ausgewählt, da sie auch eine biologische Bedeutung besitzt. Sie
kommt häufig in Fibronektin und Vitronektin vor, die Bestandteile der extrazellulären
Matrix sind. Über diese Sequenz ist es Zellen möglich, sich mechanisch zu verankern.[192]
Aus diesem Grund wird sie bei der Beschichtung von Implantaten verwendet, um das
Aufwachsen der Zellen zu unterstützen.[193]
Nach der Synthese der Partikel wurden diese wie zuvor bei den Dipeptid-Partikeln über
Ultrafiltration aufgereinigt, da eine Ausfällung im sauren oder basischen Milieu nicht
möglich war.
Das gemessene Spektrum und eine Zuordnung der Signale des reinen Peptids sind im oberen Teil der Abbildung 6.61 gezeigt. Dabei ist anzumerken, dass die Signale der GlycinGruppen (zwischen 3,96 und 4,07 ppm nicht zugeordnet wurden, da eine Unterscheidung
aus dem 1H-NMR-Spektrum nicht möglich ist. Zu beachten ist außerdem, dass das Signal j unter dem Wassersignal liegt und unterdrückt wurde. Dies wurde zuvor mit der
etwas kürzeren Sequenz CRGD gezeigt. Von diesem Tetrapeptid wurde neben einem 1HNMR-Spektrum noch 13C-, HSQC- und HMBC-NMR-Spektren aufgenommen, wodurch
eindeutig gezeigt werden konnte, dass dieses Signal unter dem Wassersignal liegt. Aufgrund der gleichen chemischen Umgebung des Hexapeptids ist zu erwarten, dass dieses
entsprechende Signal ebenfalls dort liegen muss. Das große Singulett bei 1,24 ppm konnte
nicht genau zugeordnet werden. Ebenfalls ist zu erkennen, dass ein paar kleine Signale von
unbekannten Verunreinigungen zu finden sind. Ursache dafür könnte sein, dass Peptide mit
manchen Sequenzen nicht stabil sind und sich eventuell unter Spaltung zersetzen.[194,195]
Außerdem könnte es an der Thiol-Gruppe unter Oxidation zur Disulfid-Bildung kommen.
Die Probleme mit der Reinheit wurden auch vom Hersteller des Peptids bestätigt. Die
Synthese der Nanopartikel wurde dennoch versucht und führte zum Erfolg.
Betrachtet man das 1H-NMR-Spektrum des Peptids mit den Nanopartikeln (Abbildung
6.61 unten), so ist eine Vielzahl an stark verbreiterten Signalen zu erkennen. Setzt man
in gleichen Maße Überlegungen an wie zuvor bei den CG-stabilisierten Nanopartikeln,
dann erfährt das Signal a eine Verschiebung in den Bereich um 4,0 ppm, wo ein großes
Multiplett zu erkennen ist. Darunter könnten sich nach wie vor auch die Signale der
Glycin-Einheiten befinden. Eine Besonderheit stellt das Verschwinden des Signals k dar,
b
berechnet nach ExPASy - Bioinformatics Resource Portal
122
6 Ergebnisse und Diskussion
welches die Methylen-Gruppe in der Asparaginsäure darstellt. Sollte sie eine Verschiebung
erfahren haben, so wäre dies ein Hinweis darauf, dass dieser Ligand mit mehr als einer
Bindung an die Partikeloberfläche koordiniert ist. Des Weiteren sind die neuen Signale
um 2,61 ppm auffällig, die ebenfalls nach Überlagerungen von Signalen aussehen. Nicht
ganz auszuschließen ist aber auch eine Zersetzung des Proteins, da während der Synthese
ein saurer pH-Wert herrschte und während nach zur Aufreinigung ein basisches Milieu
eingestellt wurde. Letzteres war nötig, da während der Ultrafiltration in der Zentrifuge
Partikel leicht auszufallen begannen, da die Partikel mit dem Peptid am Neutralpunkt
schlechter löslich sind. Somit könnten verschobene Signale durch das gespaltene Peptid
auftreten, dessen Bestandteile aber dennoch über die Amino-Funktion an die Partikel
gebunden ist.
NH
b e c+d+i
4,0
3,0
3,22
4,5
3,5
3,72
5,0
O
i
k
N
j
H
O
h a k
4,0
4,05
3,98
4,5
4,40
5,0
N
e
H
O
H
N
3,5
f
2,5
3,0
2,5
OH
OH
g
2,0
1,5
1,92
1,82
1,66
j
d
g
2,0
1,24
O
f
O
2,61
a
N
H
4,30
4,07
4,00
3,96
4,75
HS
H
N
c
O
3,24
3,22
3,19
3,11
3,09
2,95
2,93
2,72
H2N
O
b
h
ppm
1,32
N
H
2,04
1,89
1,79
1,67
H2N
1,5
ppm
Abb. 6.61: 1H-NMR-Spektren von freiem CGGRGD (oben, 300 MHz) und CGGRGD
koordiniert an Gold-Nanopartikel (unten, 600 MHz).
Ein Korrelationsspektrum dieser Nanopartikel (Abbildung 6.62) liefert keine Kreuzpeaks.
Wie zuvor bei dem Dipeptid, finden zwischen den Aminosäuren keine Kopplungen statt.
123
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
Außerdem wird eine eventuell messbare Kopplung zwischen den Protonen des Cysteins
durch die Wasserunterdrückung nicht detektiert. Aber auch bei Arginin und Asparaginsäure sollten Kopplungen zwischen den Protonen zu erkennen sein, was im Spektrum
jedoch nicht der Fall ist. Warum diese nicht detektiert werden konnten, konnte im Rahmen
dieser Arbeit nicht geklärt werden.
ppm
2,0
3,0
4,0
5,0
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
ppm
Abb. 6.62: 1H, 1H-COSY-Spektrum (600 MHz) von Gold-Nanopartikel, stabilisiert mit
CGGRGD.
Bei der Größenbestimmung mit Hilfe der differentiellen Zentrifugalsedimentation wurde
ein Wert von 1,7 nm erhalten. Ähnlich dem Dipeptid findet man hier Anzeichnen für
eine Agglomeration, die mit Wechselwirkungen zwischen den Liganden begründet werden
kann. Aber es zeigt sich, dass dieser Ligand ebenfalls für die Darstellung von ultrakleinen
Gold-Nanopartikeln verwendet werden kann.
rel. Intensität
1,0
0,5
0,0
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.63: Links: DLS-Ergebnis nach Anzahl und rechts normalisierte Größenverteilung
der DCS von Gold-Nanopartikeln mit CGGRGD.
Im diffusionsgewichteten Spektrum fällt direkt eine Ähnlichkeit mit dem Spektrum des
Dipeptids auf. Ein Signal bei ca. 4,0 ppm besitzt einen deutlich größeren Diffusionskoeffizienten. Ein solches schneller diffundierendes Signal befand sich im Fall des CG bei
124
6 Ergebnisse und Diskussion
3,67 ppm (Vgl. Abbildung 6.59). Ansonsten lässt sich deutlich erkennen, dass die breiteren Signale ungefähr denselben Diffusionskoeffizienten besitzen, wenn auch an manchen
Stellen eine gewisse Verbreiterung auftritt. Das erhaltene Spektrum ist in Abbildung 6.64
gezeigt.
lg(D)
−11
−10
−9
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
−8
1,0 ppm
Abb. 6.64: 1H-DOSY-Spektrum (500 MHz) von CGGRGD, koordiniert an Gold-Nanopartikel.
Der Stejskal-Tanner-Plot für die Nanopartikel mit dem Hexapeptid ergibt eine sehr gute lineare Abhängigkeit. Allerdings müssen für die Auswertung die ersten Datenpunkte
verworfen werden, da dort eine andere Steigung zu finden ist. Ähnlich den aromatischen
Liganden scheinen sich schneller bewegende Moleküle überlagert zu werden. Die Steigung
der Regressionsgeraden beträgt −0,985, womit der Diffusionskoeffizient einen Wert von
0,985 · 10−10 m2 s−1 besitzt. Eine Berechnung über die Stokes-Einstein-Gleichung ergibt
für den hydrodynamischen Durchmesser etwa 4,0 nm. Dieses Ergebnis gleicht dem des Dipeptids sehr und zeigt, dass auch bei größeren und komplexeren Liganden die Bestimmung
des hydrodynamischen Durchmessers mit Hilfe eines DOSY-Spektrums möglich ist.
125
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
0
-10
y = −0,985 · 10 · x − 0,229
-1
ln(I/I0)
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
1
2
3
Abb. 6.65: Stejskal-Tanner-Plot zur Messung des Diffusionskoeffizienten von GoldNanopartikeln mit CGGRGD.
Die im Vergleich zu den anderen Liganden fehlenden Untersuchungen konnten an dieser
Stelle nicht durchgeführt werden, da nicht ausreichend Material für weitere Untersuchungen zur Verfügung stand.
126
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1.10 Weitere NMR-Experimente
Theoretisch ist es möglich, mit Hilfe der NMR-Spektroskopie, noch weitere Kerne des
Systems zu untersuchen, um weitere Informationen zu erhalten. Als NMR-aktive Kerne
stehen in diesem Fall noch Schwefel und Gold zur Verfügung. Schwefel durch seine direkte
Bindung an die Goldoberfläche, könnte den gleichen Effekten unterliegen wie bisher für
Protonen und Kohlenstoff beobachtet wurden. Das Schwefel-Isotop 33S hat allerdings eine
natürliche Häufigkeit von gerade einmal 0,75 % und ein gyromagnetisches Verhältnis von
2,0556 · 107 rad T−1 s−1 . Da es einen Spin von I = 32 hat, besitzt es auch ein Quadrupolmoment, das einen Wert von −6,78 · 10−30 m2 aufweist. Mit all diesen Faktoren liegt seine
relative Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff bei 0,002 27. Durch das betragsmäßíg sehr
große Quadrupolmoment weisen Schwefel-Signale im NMR-Spektrum extrem breite Linien auf, die Halbwertsbreiten von mehreren Kilohertz haben können. Hinzu kommt die
sehr geringe Konzentration in der Probe (theoretisch maximal 0,03 mol L−1 ), wodurch es
nicht möglich war, NMR-Signale für Schwefel zu erhalten.[196]
Im Fall des Goldes handelt es sich um ein Reinelement, bei dem das Isotop 197Au zu
100 % vorliegt und NMR-aktiv ist. Das gyromagnetisches Verhältnis besitzt einen Wert
von 0,4730 · 107 rad T−1 s−1 und durch seinen Spin von I = 23 einen Quadrupolmoment von
54,7 · 10−30 m2 . Daraus ergibt sich eine relative Empfindlichkeit von nur 0,000 027 6.[196]
Ein weiteres Problem bei der Messung von Gold-NMR-Spektren liegt in dem extrem
niedrigen Messfrequenzverhältnis von 1,712 , was technisch bei den meisten Geräten nicht
durchführbar ist. Daher war es auch nicht möglich, für Gold Informationen mit Hilfe der
NMR-Spektroskopie zu erhalten.[197] Für eine Messung von Nanopartikeln würde auch
noch dieKnight-Verschiebung eine Rolle spielen. Dieser sorgt wie bereits beschrieben für
eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des reinen Elements durch den metallischen der
Charakter. Dies wird durch die Wechselwirkungen der Leitungselektronen mit dem Magnetfeld verursacht.
6.1 Thiol-stabilisierte Gold-Nanopartikel
127
6.1.11 Zusammenfassung der für Nanopartikel erhaltenen Ergebnisse
Die NMR-spektroskopischen Untersuchungen der Nanopartikel mit aliphatischen Liganden zeigen deutlich, dass diese einer großen Verschiebungsänderung unterliegen, die auf
die Effekte der Knight-Verschiebung zurückzuführen ist. Sie liefern sehr gute Zusammenhänge zwischen der chemischen Verschiebung und dem Abstand zur Partikeloberfläche.
Dabei ist zu erkennen, dass sich die Liganden senkrecht zur Oberfläche ausrichten, da
weiter entfernte Gruppen einer geringeren Verschiebungsänderung unterliegen. Diese Änderung in der chemischen Verschiebung ist sowohl bei den Protonen als auch bei den
Kohlenstoff-Atomen zu beobachten. Letztere sind mit indirekten Methoden wie HSQCund HMBC-Spektren gut detektierbar und bestätigen die Tatsache, dass die Liganden
chemisch nicht reagiert haben. Des Weiteren ist durch das J-aufgelöste Spektrum im Fall
der 3-Mercaptopropansäure zu sehen, dass etwa fünf unterschiedliche Sätze von Signalen
vorliegen. Dagegen sind bei der Mercaptoethansäure neun Signale vorhanden, die nicht
genauer zugeordnet werden können.
Im Falle der Mercaptobenzoesäure-Derivate ist eine Synthese von Nanopartikeln auf den
gleichen Weg möglich. Jedoch stellen Verunreinigungen in Form der Disulfide ein Problem
dar. Diese können teilweise durch Extraktion mit Diethylether und Toluol entfernt werden. Die aufgenommen NMR-Spektren lassen aufgrund der großen Signalbreite und den
nicht detektierbaren Kopplungen keinen Schluss auf den Zustand der Liganden zu. Bei
der ortho- und meta-Mercaptobenzoesäure ist dabei klar eine Verschiebung zu größeren
Werten zu erkennen, die wie bei den aliphatischen Liganden wirkt und wahrscheinlich
durch die Knight-Verschiebung verursacht wird. Bei der para-Mercaptobenzoesäure dagegen besitzen die vermeintlichen Nanopartikel plötzliche kleinere Werte für die chemische
Verschiebung. Wegen der großen Verunreinigung durch das Disulfid konnten jedoch keine
weiteren Untersuchungen vorgenommen werden. Erschwert durch die mangelhafte Stabilität ist es im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht gelungen, weitere Informationen über
die aromatischen Liganden zu erhalten.
Die Bestimmung der Größen mit Hilfe von differentiellen Zentrifugalsedimentation und
diffusionsgewichteter Spektroskopie ergab, dass sämtliche Nanopartikel eine Größe von ca.
1,7 – 4,4 nm aufweisen. Die gemessenen Größenverteilungen sind alle nahezu monodispers
und zeigen nur bei den kleinsten Liganden, dass es zur Agglomeration kommt. Wie zu
erwarten war, fallen die gemessenen Werte mit der dynamischer Lichtstreuung wesentlich größer aus, da diese Methode für die ultrakleinen Partikel eher ungeeignet ist. Die
Methode der diffusionsgewichteten NMR-Spektroskopie wurde verwendet, um den Diffusionskoeffizienten der Nanopartikel mitsamt organischer Hülle zu bestimmen. Aus diesen
konnten mit Hilfe der Stokes-Einstein-Gleichung der hydrodynamischen Durchmesser berechnet werden. Die erhaltenen Werte stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den
erhaltenen Daten der differentieller Zentrifugalsedimentation. Somit konnte gezeigt werden, dass diese Methode eine wertvolle Messtechnik darstellt, da sie gute Ergebnisse erzielt
128
6 Ergebnisse und Diskussion
und dabei zerstörungsfrei ist. Demzufolge kann die Probe nach der Messung für andere
Untersuchungen und Experimente weiter verwendet werden. Eine Zusammenfassung der
Ergebnisse zur Größenbestimmung ist in Tabelle 6.14 gegeben.
Tab. 6.14: Zusammenfassung der Ergebnisse aus DLS, DCS und DOSY (n.m.=nicht
messbar)
Ligand
d H (DLS) d H (DCS)
D(DOSY) d H (DOSY)
/ nm
/ nm
/ m2 s−1
/ nm
4,9
1,8
2,310 · 10−10
1,7
3-Mercaptopropansäure
6-Mercaptohexansäure
32,7
7,6
1,7
1,7
−10
1,977 · 10
1,490 · 10−10
2,0
2,7
ortho-Mercaptobenzoesäure
meta-Mercaptobenzoesäure
para-Mercaptobenzoesäure
37,8
32,7
37,8
3,7
3,0
4,2
3,582 · 10−10
1,307 · 10−10
0,907 · 10−10
n.m.
3,1
4,4
4,5
2,2
1,272 · 10−10
3,1
4,2
n.m.
1,7
1,7
0,984 · 10−10
0,985 · 10−10
4,0
4,0
Mercaptoethansäure
para-(Mercaptomethyl)benzoesäure
CG
CGGRGD
129
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
6.2.1
1
H-NMR-Untersuchungen
Im Rahmen dieser Arbeit sollte als zweites Thema das Verhalten des Goldes während der
Reaktion betrachtet werden. Dabei lag der Fokus auf der Zusammengabe der Tetrachloridogoldsäure mit dem Liganden. Bereits dabei tritt eine chemische Reaktion ein, die sich
visuell durch eine Entfärbung bzw. Farbänderung der Lösung äußert. Ursache dafür ist die
Reduktion des Au3+ -Kations, welches die Lösung gelb färbt. Nach der Reaktion könnte
das farblose Gold(I)-Kation vorliegen, das in Komplexen mit dem Thiol oder dem Chlorid
gebunden ist. Die Reduktionen des Goldes als Tetrachloridoaurat weisen ein Potentiale
von etwa 1,00 V auf (siehe Reaktionen R-6.1 und R-6.2).[198] Das Thiol als zweites Edukt
wird im Gegenzug nach Reaktion R-6.3 zum Disulfid oxidiert. Das Standard-Potential
dieser Reaktion liegt bei etwa −0,2 bis −0,3 V.[199] Eine weitere Oxidation zur Sulfonsäure
ist unter diesen Bedingungen eher auszuschließen, da für diese Reaktion Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat oder Wasserstoffperoxid verwendet werden (vgl. Reaktion
R-6.4).[178] Diese besitzen im sauren Medium jeweils Standard-Potentiale von 1,51 und
1,78 V.[200]
AuCl4 − + 2 e−
AuCl2 − + 2 Cl−
(R-6.1)
AuCl4 − + 3 e−
Au + 4 Cl−
(R-6.2)
R−S−S−R + 2 e− + 2 H+
(R-6.3)
R−SO3 H + 2 MnO2 + H2 O
(R-6.4)
2 R−SH
R−SH + MnO4 − + 2 H+
Für eine genauere Untersuchung wurden die Versuche als NMR-Experimente durchgeführt. Dabei wurden in einem NMR-Röhrchen jeweils 200 µL einer 25 mm Tetrachloridogoldsäure-Lösung (5 µmol) und 15 µmol in 100 µL des entsprechenden Thiols zusammen
gegeben. Um den Wassergehalt so gering wie möglich zu halten, wurden sämtliche Lösungen zuvor in deuteriertem Wasser angesetzt. Da es bei der Zusammengabe zur Ausfällung
eines Feststoffes kam, wurde die Mischung anschließend mit 100 µL einer 1 m ND3 -Lösung
in D2 O versetzt (Gesamtkonzentration an Ammoniak = 0,2 mol L−1 ). Um abschließend
die nötige Füllhöhe im NMR-Röhrchen zu erreichen, wurden weitere 100 µL D2 O in das
NMR-Röhrchen gegeben. Dadurch wurden jeweils klare Lösungen erhalten, die untersucht werden konnten. Sämtliche NMR-Messungen in diesem Kapitel wurden an einem
300 MHz-Spektrometer durchgeführt, da die Signalintensität ausreichend war.
130
6 Ergebnisse und Diskussion
O
O
HS
OH
Mercaptoethansäure
O
HS
HS
OH
3-Mercaptopropansäure
OH
6-Mercaptohexansäure
O
HS
OH
11-Mercaptoundekansäure
O
O
OH
SH
ortho-Mercaptobenzoesäure
O
HS
OH
HS
meta-Mercaptobenzoesäure
OH
para-Mercaptobenzoesäure
O
O
HS
H2 N
OH
HS
para-(Mercaptomethyl)benzoesäure
H2 N
H
O
H2 N
HS
N
H
N
H
H
N
O
OH
O
CG
NH
N
O
O
N
H
H
N
O
O
N
H
OH
OH
O
CGGRGD
Abb. 6.66: Strukturen der verwendeten Liganden.
Die erste Untersuchung galt der Reaktion der Mercaptoethansäure mit HAuCl4 . Bei der
Reaktion kommt es wie bereits erwähnt zur Entfärbung der Lösung und zur Bildung
eines weißen Niederschlags, der sich durch die Zugabe von Ammoniak wieder auflöst.
Von diesem Reaktionsgemisch wurde ein 1H-NMR-Spektrum (Abbildung 6.67 unten) aufgenommen und mit der reinen Mercaptoethansäure (oberes Spektrum) verglichen. Wie
auch bei den Nanopartikel zeigt sich eine Vielzahl von Signalen, die so nicht erwartet
wurden. Der freie Ligand scheint während der Reaktion quantitativ umgesetzt worden
zu sein, da für diesen kein Signal mehr erhalten wurde. Des Weiteren ist zu beobachten,
dass sowohl vier relativ scharfe Signale als auch einige breite Signale erhalten werden. Ein
Vergleich mit den Signalen aus dem 1H-NMR-Spektrum der Nanopartikel stabilisiert mit
MES (Abbildung 6.2) führt zu der Annahme, dass es sich auch bei diesen Signalen um
Nanopartikel handeln könnte. Sowohl die Verschiebung als auch die Breite der Signale
spricht für diese Annahme. Dies würde bedeuten, dass das Gold nicht nur auf die Oxidationsstufe 1, sondern auch auf 0, reduziert wurde. Damit wäre für die Darstellung von
Nanopartikeln das eigentliche Reduktionsmittel nicht nötig.
131
3,20
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
4,4
4,2
4,0
5,0
4,8
4,6
4,4
4,2
4,0
3,8
3,8
3,6
3,4
3,6
3,2
ppm
3,2
ppm
3,29
4,6
3,70
3,62
3,56
3,47
3,46
4,8
3,85
5,0
3,4
Abb. 6.67: 1H-NMR-Spektren von freier MES (oben, 300 MHz) und MES nach der Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
Eine genauere Charakterisierung der Verbindungen, die die scharfen Signale verursachen
ist mit dieser Methode nicht möglich. Es ist jedoch denkbar, dass es zur Bildung unterschiedlicher Gold-Thiolat-Komplexe gekommen ist, die in Lösung unterschiedliche Oligomere ausbilden können.[201,202]
Au
S
R
Au
S
R
Au
S
R
Au
S
R
Au
S
R
R
S Au R
Au
S
S
Au
R
Au S
R
Abb. 6.68: Schematische Darstellung von Gold-Thiolat-Oligomeren.
Um eine eventuelle Charakterisierung der Verbindungen zu ermöglichen wurden Gemische
dieser Komponenten mit der Massenspektrometrie untersucht. Jedoch konnten aufgrund
der Komplexität der Signale hieraus keine weiteren Informationen erhalten werden.
132
6 Ergebnisse und Diskussion
Bei dem nächst höheren Homologen sieht das 1H-NMR-Spektrum im Gegensatz zur Mercaptoethansäure einfacher aus. So erhält man bei der 3-Mercaptopropansäure (siehe Abbildung 6.69 unten) zwei Paare von Tripletts, von dem das intensivere Signal dem Disulfid zugeordnet werden kann.[188] Für die beiden anderen Signale konnte keine Zuordnung
getroffen werden, da sie nicht dem Edukt entsprechen. Wie auch zuvor bei der Mercaptoethansäure zeigen sich auch in diesem Spektrum Signale mit sehr großer Halbwertsbreite,
die von der Verschiebung ebenfalls mit den Signalen der Nanopartikel übereinstimmen
2,78
2,75
2,73
2,55
2,53
2,50
(Vgl. Abbildung 6.12). Somit ist davon auszugehen, dass es bei der Zusammengabe von
HAuCl4 mit MPS ebenfalls zur Bildung von Nanopartikeln kommt.
3,4
3,2
2,8
3,0
2,6
2,8
2,6
2,4
2,2
ppm
2,4
2,2
ppm
2,48
3,6
3,0
2,58
3,8
3,2
2,70
4,0
3,4
2,91
3,6
3,27
3,8
3,53
4,0
Abb. 6.69: 1H-NMR-Spektren von freier MPS (oben, 300 MHz) und MPS nach der Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
133
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
Die zuvor gemachten Beobachtungen setzen sich bei der 6-Mercaptohexansäure fort. Im
in Abbildung 6.70 dargestellten Spektrum ist diesmal jedoch nur ein Satz an schmalen
Signalen zu erkennen. Diese lassen sich erneut dem Disulfid zuordnen. Im Untergrund
des Spektrums, teilweise von den Signalen überlagert, befinden sich deutlich die breiten
Signale, die im Vergleich mit dem Spektrum aus Abbildung 6.21 auf Nanopartikel schließen
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
ppm
2,24
2,21
2,19
1,89
1,78
1,76
1,74
1,71
1,69
1,63
1,61
1,58
1,48
1,45
1,43
1,40
4,0
3,0
2,83
2,80
2,78
3,5
3,13
4,0
2,25
2,22
2,20
1,70
1,68
1,65
1,63
1,60
1,57
1,55
1,44
1,42
2,61
2,58
2,56
lassen.
2,5
2,0
1,5
ppm
Abb. 6.70: 1H-NMR-Spektren von freier MHS (oben, 300 MHz) und MHS nach der Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
134
6 Ergebnisse und Diskussion
Bei den Reaktionen der aromatischen Liganden mit der Tetrachloridogoldsäure werden
abweichende Beobachtungen zu gemacht. Durch die Tatsache, dass die Liganden im basischen Milieu gelöst werden müssen, kommt es bei der Zusammengabe der Edukte zum
Ausfallen eines orange-bräunlichen Feststoffes. Ursache dafür ist die schlechte Löslichkeit der Liganden in Form der Komplexe bei teilweise neutralisiertem Medium. Durch
Zugabe von deuteriertem Ammoniak kann dieser Feststoff wieder in gelöst werden. Das
erhaltene 1H-NMR-Spektrum für die Reaktion der ortho-Mercaptobenzoesäure mit Tetrachloridogoldsäure ist nachfolgend in Abbildung 6.71 gezeigt. Zu erkennen sind hier ein
Satz schmaler und drei breite Signale, die eine Feinaufspaltung aufweisen. Die scharfen
Signale entsprechen zwei Dubletts und zwei Tripletts, was auf einen 1,2-substituierten
Benzolring schließen lässt. Die größeren Werte für die chemische Verschiebung lassen wie
zuvor auch auf das Disulfid schließen. Die breiteren Signale, die keine genaue Multiplizität
erkennen lassen, haben chemische Verschiebungen, die im Vergleich mit dem Spektrum
in Abbildung 6.30 nur teilweise den Signalen der Nanopartikel entsprechen. Die Form
der Signale spricht jedoch dafür, dass es sich hier auch um Nanocluster oder -partikel
7,43
7,40
7,16
7,14
7,11
7,08
7,06
7,02
7,00
6,97
handeln könnte. Eine weitere Möglichkeit wären eventuell auch polymere Strukturen, der
Komplexe.
8,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
ppm
6,5
ppm
7,91
7,72
7,70
7,69
7,66
7,39
7,36
7,33
7,29
7,27
7,24
7,16
7,07
9,0
8,0
7,5
7,0
Abb. 6.71: 1H-NMR-Spektren von freier o-MBS (oben, 300 MHz) und o-MBS nach der
Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
135
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
Die meta-Mercaptobenzoesäure verhält sich während der Reaktion visuell gleich dem ortho-Derivat. Im gemessenen 1H-NMR-Spektrum sind diverse Signale zu erkennen, von
denen einige schmal sind und die Multiplizitäten von einem Singulett (8,03 ppm), zwei
Dubletts (7,74 und 7,68 ppm) und einem Triplett (7,41 ppm) besitzen. Diese Signale lassen sich dem Disulfid zuordnen. Die verbleibenden Signale sind signifikant breiter und
könnten auf Nanopartikel hindeuten. Allerdings ist auch hier die Übereinstimmung mit
dem Spektrum aus Abbildung 6.36 nicht so ausgeprägt wie in den Fällen zuvor, weswegen
8,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
ppm
6,5
ppm
8,03
7,97
7,75
7,73
7,69
7,66
7,52
7,49
7,44
7,41
7,39
7,19
9,0
7,51
7,48
7,43
7,41
7,19
7,16
7,14
7,82
nicht geklärt werden kann, welche Verbindungen sich hinter diesen Signalen verbergen.
8,0
7,5
7,0
Abb. 6.72: 1H-NMR-Spektren von freier m-MBS (oben, 300 MHz) und m-MBS nach der
Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
136
6 Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 6.73 ist das Spektrum des Gemisches von Tetrachloridogoldsäure mit paraMercaptobenzoesäure dargestellt. Es zeigt als Hauptprodukt das Disulfid, welches Signale
in Form von zwei Dubletts verursacht. Allerdings ist an diesen zu erkennen, dass sich
noch andere Signale darunter verbergen. In der dargestellten Vergrößerung des Bereiches
zwischen 7,0 und 7,2 ppm ist zu erkennen, dass zwei Signale mit großer Halbwertsbreite
detektiert werden. Dieser Befund entspricht recht genau dem Spektrum aus Abbildung
6.42, wo die Nanopartikel mit diesem Liganden abgebildet sind. Durch dieses Ergebnis
7,59
7,56
7,42
7,39
lässt sich vermuten, dass auch diese Signale durch Nanopartikel verursacht werden. Allerdings ist ungeklärt, warum diese eine kleinere chemische Verschiebung als das Edukt
aufweisen.
9,0
8,5
8,0
7,5
7,5
7,0
6,5
ppm
6,5
ppm
7,00
8,0
7,20
8,5
7,82
7,79
7,63
7,62
7,59
9,0
7,0
Abb. 6.73: 1H-NMR-Spektren von freier p-MBS (oben, 300 MHz) und p-MBS nach der
Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
137
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
Ähnlich den Ergebnissen der Nanopartikel-Synthese (Abbildung 6.49) ist im 1H-NMRSpektrum des Gemisches aus p-MMBS und HAuCl4 kaum ein Unterschied zwischen den
erhaltenen Signalen zu erkennen (Abbildung 6.74). Im aromatischen Bereich erscheinen
zwei neue Signale, die jedoch nicht genauer zugeordnet werden können. Das zu erwartende
Disulfid sollte aufgrund der anderen chemischen Umgebung zumindest an der Methylen-
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5 ppm
3,75
8,0
8,04
7,93
7,90
7,87
7,49
7,46
7,40
7,37
8,5
3,74
7,83
7,80
7,43
7,40
gruppe eine abweichende chemische Verschiebung besitzen. Abschätzung mit InkrementRechnungen würden einen um 0,45 ppm höheren Wert erwarten lassen.[180]
3,5 ppm
Abb. 6.74: 1H-NMR-Spektren von freier p-MMBS (oben, 300 MHz) und p-MMBS nach
der Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
138
6 Ergebnisse und Diskussion
Als letzter Ligand wurde das Dipeptid CG mit der Tetrachloridogoldsäure zur Reaktion
gebracht. Das erhaltene Spektrum ist in Abbildung 6.75 gezeigt. Nach der Reaktion lässt
sich jedoch kein Signal einer Verbindung zuordnen. Allerdings zeigt ein Vergleich mit dem
Spektrum aus Abbildung 6.55, dass sich die Signale mitunter sehr ähneln. Besonders die
Signale um 3,0 ppm fallen auf, da diese im Gemisch stärker ausgeprägt sind als in dem
Spektrum der Partikel. Sehr wahrscheinlich handelt es sich hierbei um Glycin-Derivate,
die aufgrund ihres diastereomeren Charakters solche Aufspaltungen mit einem Dublett
5,0
4,5
4,0
3,12
3,10
3,5
4,0
3,0
2,5
ppm
3,17
3,15
3,13
3,11
3,00
2,97
2,95
2,93
2,64
2,62
4,5
3,98
3,92
3,88
3,82
3,80
3,74
5,0
3,92
3,86
3,82
3,76
4,27
4,25
4,23
von Dubletts zeigen.
3,5
3,0
2,5
ppm
Abb. 6.75: 1H-NMR-Spektren von freiem CG (oben, 300 MHz) und CG nach der Reaktion mit Tetrachloridogoldsäure (unten, 300 MHz).
6.2.2
35
Cl-NMR-Untersuchungen
Nach den 1H-NMR-Messungen folgten Untersuchungen des Chlors während der Reaktion.
Chlor besitzt zwei NMR-aktive Isotope, die jeweils ein starkes Quadrupolmoment besitzen.
In beiden Isotopen beträgt der Kernspin jeweils 32 . Die weiteren kernspezifischen Daten
sind in der folgenden Tabelle 6.15 zusammengefasst. Für Messungen dieses Elementes
wird primär das Isotop 35Cl verwendet, da seine Empfindlichkeit fast zweimal größer ist.
Dagegen sind die Halbwertsbreiten beim Isotop 37Cl kleiner und damit die Auflösung
besser. Da die Linien aber dennoch mehrere Kilohertz breit sein können, wird in der
Regel der empfindlichere Kern
35
Cl vermessen und die Signalverbreiterung toleriert.
139
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
Tab. 6.15: Kernspezifische Daten der Chlor-Isotope[196]
35
Ligand
nat. Häufigkeit / %
γ / 107 rad T−1 s−1
Q / 10−30 m2
rel. Empfindlichkeit
Für die Messungen wurde als erstes ein
Cl
75,76
2,6242
−8,165
37
Cl
24,24
2,1843
−6,435
0,004 72 0,002 72
35
Cl-NMR-Spektrum einer 0,1 m Natriumchlorid-
Lösung (50 µmol NaCl in 500 µL D2 O) als Referenz aufgenommen. Das Integral des erhaltenen Signals wurde von einem Bereich zwischen 10 und −10 ppm festgelegt und auf
einen Wert von 100 kalibriert. Für alle nachfolgenden Messungen wurden das Integral
im gleichen Bereich festgelegt und auf diesen Wert bezogen. Dies ist möglich, wenn alle
Messungen unter identischen Bedingungen durchgeführt wurden. Dazu gehören sowohl
die Parameter der Messung (z.B. Pulslänge, Anzahl der Scans, Signalverstärkung usw.)
als auch die der digitalen Verarbeitung (Datenpunkte, Exponentialmultiplikation usw.)
des Spektrums. Unter diesen Umständen ist es möglich, aus dem Integral der NMR-Probe
den Chlorid-Gehalt zu bestimmen.
Um dies zu verifizieren, wurde für die erste Messung eine Natriumchlorid-Probe angesetzt,
die sowohl mittels NMR als auch über Potentiometrie in der Abteilung für Mikroanalytik
untersucht wurde. Die angesetzte Lösung hatte einen theoretischen Chlorid-Gehalt von
25,41 µmol. Die Bestimmung durch die Potentiometrie ergab einen mittleren Wert von
25,62 µmol. Dagegen erhielt man für das Integral im 35Cl-NMR-Spektrum einen Wert von
53,30, woraus sich ein Chlorid-Gehalt von 27,67 µmol errechnen lässt. Die Abweichung
dieser beiden Werte beträgt ca. 8 %. Damit konnte gezeigt werden, dass die Methode
generell geeignet ist, den Chlorid-Gehalt in Proben zu bestimmen.
Als nächste Probe wurde die reine, gelöste Tetrachloridogoldsäure gemessen. Bei 5 µmol
HAuCl4 , die in die Probe gegeben werden, liegt die theoretische, maximale Chlorid-Menge
bei 20 µmol. In dem erhaltenem Spektrum wurde ein scharfes Signal bei −0,04 ppm detektiert, welches ein Integral von 0,54 aufwies. Hieraus berechnet sich ein Chlorid-Gehalt
von ca. 0,28 µmol. Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem gefundenen Signal um
freie Chlorid-Ionen handelt, die eine chemische Verschiebung von ca. 0 ppm haben, und
nicht um gelöste AuCl4 – -Ionen. Verbindungen dieser Art zeigen trotz ihrer geringen Größe
bereits sehr breite Signale und werden nur in hoch-konzentrierten Proben detektiert. Der
Grund für diesen Effekt sind die vier Chlorid-Ionen in unmittelbarer Nachbarschaft, die
ihre Relaxationszeiten gegenseitig noch weiter verkürzen. Des Weiteren besitzen solche
Signale chemische Verschiebungen im Bereich von 100 – 500 ppm.[203,204] Beim Tetrachloridoaurat handelt es sich um einen stabilen Komplex, sodass dieser kaum nach der Reaktionsgleichung R-6.3 dissoziiert. Von Bjerrum wurden die folgenden Dissoziations- bzw.
140
6 Ergebnisse und Diskussion
Austauschreaktionen aufgestellt, durch die die gefundene Chlorid-Menge erklärt werden
kann:[205]
AuCl4 −
AuCl3 + Cl−
(R-6.5)
AuCl3 (OH)− + Cl− + H+
(R-6.6)
AuCl3 (OH)− + H2 O
AuCl2 (OH)2 − + Cl− + H+
(R-6.7)
AuCl2 (OH)2 − + H2 O
AuCl(OH)3 − + Cl− + H+
(R-6.8)
Au(OH)4 − + Cl− + H+
(R-6.9)
AuCl4 − + H2 O
AuCl(OH)3 − + H2 O
Anschließend wurde ein
35
Cl-NMR-Spektrum des Reaktionsgemisches von Tetrachlorido-
goldsäure mit Mercaptoethansäure gemessen. In dieser Probe wurde ein scharfes Signal
bei 0,51 ppm gefunden, was ebenfalls freien Chlorid-Ionen zuzuordnen ist. Im Reaktionsgemisch ist die Signalintensität viel größer, da wie erwartet durch die Reaktion ChloridIonen freigesetzt werden. Die Auswertung des Integrals in dieser Probe ergab einen Wert
von 34,62, was bezogen auf den Standard einem Chlorid-Gehalt von etwa 17,97 µmol
entspricht. Die in Abbildung 6.76 dargestellten Spektren zeigen links die Messung des
Natriumchlorids, in der Mitte der Tetrachloridogoldsäure und rechts des Gemisches von
Tetrachloridogoldsäure mit Mercaptoethansäure.
Abb. 6.76:
35
−10
ppm
20
10
0
−10
ppm
20
0,19
−0,04
C)
10
0
−10
ppm
34,62
0
0,54
10
100,00
20
B)
x 100
0,00
A)
Cl-NMR-Spektren von A) 0,1 m Natriumchlorid-Lösung, B) Tetrachlorido-
goldsäure (um Faktor 100 vergrößert) und C) Tetrachloridogoldsäure nach
Reaktion mit MES (300 MHz).
Nach der Reaktionsgleichung R-6.1 wäre zu erwarten, dass drei Mol Chlorid pro Mol Tetrachloridogoldsäure freigesetzt werden. Das gefundene Ergebnis entspricht jedoch einem
141
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
Verhältnis von ca. 1:3,6. Dies könnte bedeuten, dass ein Teil der Gold-Ionen nur noch
Thiole als Liganden trägt. Aufgrund der stärkeren Bindung des Schwefels an das Gold
und einen Überschuss an Thiol wäre das als Erklärung möglich. Es könnte jedoch auch
sein, dass die Gold(III)-Ionen teilweise auf die Oxidationsstufe 0 reduziert wurden. Das
würde sich mit den Ergebnissen der 1H-NMR-Spektren decken, bei denen die vorhandenen
breiten Signale für Nanocluster sprechen.
Die weiteren Liganden verhalten sich ähnlich, weswegen auf eine Darstellung der dazugehörigen Spektren an dieser Stelle verzichtet wird. Die Abbildungen der verbliebenen
Spektren lassen sich im Anhang in Kapitel 10.1 ab Seite 163 einsehen. Die Ergebnisse
werden nachfolgend in Tabelle 6.16 zusammengefasst. Dabei zeigt sich, dass der Wert des
Integrals stets ungefähr gleich groß ist, was somit immer einer nahezu gleichen Menge
an Chlorid entspricht. Die weiteren Erklärungen gestalten sich analog zur Messung mit
der Mercaptoethansäure. Der abweichende Wert der 11-Mercaptoundecansäure ist in einer höheren Verdünnung begründet, da sich der gebildete Niederschlag nicht direkt unter
den Bedingungen lösen wollte. Daher wurden hier 200 µL mehr an Ammoniak hinzugegeben, bis die Lösung klar war. Unter Berücksichtigung dieser Verdünnung entspricht der
Chlorid-Gehalt sehr genau den anderen Proben.
Tab. 6.16: Bestimmung des Chlorid-Gehaltes über
35
Cl-NMR beim Einsatz von 5 µmol
HAuCl4
Ligand
Integral n(Cl – )
/ µmol
Tetrachloridogoldsäure ohne Ligand
Mercaptoethansäure
0,54
34,62
0,28
17,97
3-Mercaptopropansäure
6-Mercaptohexansäure
33,96
34,66
17,63
17,99
11-Mercaptoundecansäure
ortho-Mercaptobenzoesäure
meta-Mercaptobenzoesäure
24,72
34,39
34,01
17,96
17,85
17,65
para-Mercaptobenzoesäure
para-(Mercaptomethyl)-benzoesäure
32,91
35,00
17,08
18,17
CG
34,42
17,87
6.2.3 DCS-Untersuchungen
Da die vorangegangen Untersuchungen angedeutet haben, dass sich Nanopartikel gebildet
haben, wurde das Gemisch mit Hilfe der differentiellen Zentrifugalsedimentation analysiert. Die Ergebnisse der Gemische mit aliphatischen Liganden sind nachfolgend in Abbildung 6.77 dargestellt und bestätigen die NMR-Signale. Es wurden jeweils Nanopartikel
im Bereich um 2 nm erhalten. Im Vergleich zu den zuvor gezielt synthetisierten Partikeln
142
6 Ergebnisse und Diskussion
ist die Größenverteilung jedoch etwas breiter. Im Fall der 11-Mercaptoundecansäure ist
des Weiteren ein breites Signal zu sehen, welches wahrscheinlich durch Agglomeration
auftritt, da die Löslichkeit dieser Partikel oder anderer Spezies im Wasser begrenzt ist.
A)
B)
1,0
rel. Intensität
rel. Intensität
1,0
0,5
0,0
0,0
0
10
20
Durchmesser / nm
30
C)
0
10
20
Durchmesser / nm
30
D)
1,0
rel. Intensität
1,0
rel. Intensität
0,5
0,5
0,0
0,5
0,0
0
10
20
Durchmesser / nm
30
0
20
40
60
Durchmesser / nm
80
100
Abb. 6.77: Ergebnisse der DCS der Gemische aus Tetrachloridogoldsäure und A) MES,
B) MPS, C) MHS und D) MUS.
Die Zusammengabe der Tetrachloridogoldsäure mit den aromatischen Liganden führte
ebenfalls zur Darstellung kleiner Gold-Nanopartikel. Jedoch sind die Systeme in diesen
Fällen sehr polydispers. Grund dafür ist auch hierfür die mangelhafte Löslichkeit der
Liganden, wodurch ein großer Anteil der Partikel agglomeriert. Die erhaltenen Größenverteilungen sind in der Abbildung 6.78 graphisch dargestellt.
143
6.2 Untersuchungen von Gemischen aus HAuCl4 und Thiolen
A)
B)
1,0
rel. Intensität
rel. Intensität
1,0
0,5
0,0
0,0
0
20
40
60
Durchmesser / nm
80
100
C)
0
20
40
60
Durchmesser / nm
80
100
0
20
40
60
Durchmesser / nm
80
100
D)
1,0
rel. Intensität
1,0
rel. Intensität
0,5
0,5
0,0
0,5
0,0
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.78: Ergebnisse der DCS der Gemische aus Tetrachloridogoldsäure und A) o-MBS,
B) m-MBS, C) p-MBS und D) p-MMBS.
Als letzter Ligand wurde auch das Dipeptid untersucht. Auch hier kommt es zur Detektion
von kleinen Nanopartikeln, die jedoch aufgrund der Agglomeration auch mit größeren
Signalen einhergehen.
rel. Intensität
1,0
0,5
0,0
0
10
20
Durchmesser / nm
30
Abb. 6.79: Ergebnis der DCS des Gemisches aus Tetrachloridogoldsäure und CG.
Die Ursache für die beobachteten Agglomerationen könnte in einer erhöhten ElektrolytKonzentration liegen. Die Proben wurden für diese Messungen nicht aufgereinigt, sondern
nach der Zusammengabe der Edukte zeitnah analysiert. Demzufolge kann es besonders bei
den empfindlichen schwerer löslichen Systemen zur Bildung von Agglomeraten kommen.
144
6 Ergebnisse und Diskussion
6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse für Gold-Thiolat-Gemische
Eine Zusammengabe der Tetrachloridogoldsäure mit einem Thiol führt direkt zu einem
Farbumschlag. Bei den kurzen, aliphatischen Liganden werden die Proben farblos. In Systemen, wo zur besseren Löslichkeit des Liganden Ammoniak zugesetzt werden musste,
schlug die Farbe von hell-gelb nach orange-braun um. Dies könnte auf eine teilweise Bildung von Gold(III)-hydroxid hindeuten, das in Wasser auch schlecht löslich ist. In den
1
H-NMR-Spektren ist zu erkennen, dass das Hauptprodukt dieser Umsetzung das jeweilige
Disulfid ist. Eine Ausnahme stellt die Mercaptoethansäure dar, wo in dem entsprechenden
Spektrum mehr als ein scharfes Signal detektiert wurde. Das Edukt hingegen wird quantitativ umgesetzt. Hinzu kommen jeweils Signale, die sehr breit sind und höhere chemische
Verschiebungen aufweisen. Dies stellt einen Hinweis auf die Bildung von Nanopartikeln
dar. Diese Vermutung wurde anschließend mit Hilfe der differentiellen Zentrifugalsedimentation überprüft. Dabei stellte sich heraus, dass in sämtlichen Proben Partikel mit
einem Durchmesser von ca. 2 nm gefunden wurden. Bei Liganden, die eine schlechte Wasserlöslichkeit besitzen, kommt es zu einer erhöhten Agglomeration, was sich auch in den
Graphen der DCS widerspiegelt. Bei der Messung von 35Cl-NMR-Spektren kann mit Hilfe einer Referenz aus Natriumchlorid der Chlorid-Gehalt bestimmt werden. Dieser war
in allen Probe ungefähr gleich. Jedoch war er jeweils größer als der zu erwartende Wert
von 15 µmol. Dieses Ergebnis zeigt, dass Gold-Atome oder -Ionen ohne ein gebundenes
Chlorid-Ion vorliegen müssen. Dies ist dann der Fall, wenn das Gold zur elementaren
Spezies reduziert wurde und sich Nanopartikel gebildet hätten. Eine zweite Erklärung
wäre, dass das verbliebene Chlorid-Ion durch ein Wassermolekül substituiert wurde. Allerdings ist die Bindung zwischen Gold und Chlor relativ stark, so dass damit nicht der
gefundene Überschuss an Chlor im ganzen erklärt werden könnte. Insofern sind alle Ergebnisse zu diesen Gemisch stimmig und schlüssig, und bereits die Zugabe des Thiols zur
Tetrachloridogoldsäure führt zur Bildung von ultrakleinen Nanopartikeln.
145
7 Zusammenfassung und Ausblick
Die Übertragung der zuvor etablierten Synthese von ultrakleinen Nanopartikeln auf andere Systeme funktionierte bei teilweiser Anpassung der Aufreinigungsschritte. Bei aliphatischen Mercaptocarbonsäuren ist die Reduktion mit Natriumborhydrid im wässrigen Medium direkt übertragbar. Eine anschließende Ausfällung der Nanopartikel und das Waschen
mit Hilfe einer Zentrifuge funktionierten ohne größere Verluste von Gold. Die durchgeführten NMR-spektroskopischen Untersuchungen dieser Nanopartikel lassen deutlich erkennen, dass die erhaltenen Signale eine signifikante Verschiebungsänderung erfahren, die
auf den Effekt der Knight-Verschiebung zurückzuführen ist. Hierbei lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Verschiebungsänderung und dem Abstand zur Partikeloberfläche
erkennen. Die senkrechte Ausrichtung der Liganden zur Oberfläche ist daran abzulesen,
da die Methylen-Gruppen nahe der Carboxyl-Gruppe stets kleinere Änderungen in der
chemischen Verschiebung erfahren. Mit Hilfe von HSQC- und HMBC-Spektren konnte
gezeigt werden, dass auch die Kohlenstoff-Atome spektroskopisch erfasst werden können
und diesem Effekt unterliegen. Auch hier findet sich eine Abhängigkeit vom Abstand zu
Partikeloberfläche wieder. Des Weiteren zeigen die gemessenen Spektren, dass es keine
chemischen Reaktionen am Liganden gegeben hat, da ansonsten in anderen Bereichen der
Spektren Signale detektiert worden wären.
Für die aromatischen Mercaptobenzoesäure-Derivate ist die Synthese von Gold-Nanopartikeln ebenfalls übertragbar. Es ist allerdings notwendig, die Liganden vorab in ammoniakalischem Wasser zu lösen. Die beobachtete Stabilität der erhaltenen Partikel nimmt
in der Reihe von ortho < meta < para zu. Als Grund dafür können sterische Abstoßungen zwischen der Partikeloberfläche und der Carboxyl-Gruppe genannt werden. Dies
findet sich auch in den erhaltenen Spektren wieder, in denen immer ein signifikanter
Anteil an entsprechendem Disulfid detektiert wurde. Diese Verunreinigungen stellt ein
Problem dar, da die Messungen stets durch Überlagerungen verfälscht werden. Durch
Extraktion mit Diethylether und Toluol können diese teilweise entfernt werden. Die aufgenommen NMR-Spektren lassen aufgrund der großen Signalbreite und den nicht detektierbaren Kopplungen keinen Schluss auf den Zustand der Liganden zu. Bei der orthound meta-Mercaptobenzoesäure ist wie auch bei den aliphatischen Liganden eine deutliche Verschiebung zu erkennen, die durch die Knight-Verschiebung verursacht wird. Bei
der para-Mercaptobenzoesäure wird ein entgegengesetzter Effekt detektiert, dessen Ursache nicht geklärt werden konnte. Da die Nanopartikel mit diesen Liganden eine eher
mangelhafte Stabilität aufwiesen, ist es im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, weitere
Informationen über die aromatischen Liganden zu erhalten.
Die Analysen der Partikelgrößen lieferten bei verschiedenen Messmethoden gute Übereinstimmungen untereinander. Vor allem die differentielle Zentrifugalsedimentation und
die diffusionsgewichtete NMR-Spektroskopie ergaben stets Werte, die sehr nah beieinander lagen. Die Größe der Nanopartikel wurde dabei mit allen Liganden zwischen ca.
146
7 Zusammenfassung und Ausblick
1,7 und 4,4 nm bestimmt. Die Größenverteilungen mittels DCS sind alle nahezu monodispers. Ausnahme stellen der kleinste Ligand Mercaptoethansäure und die Peptide dar.
Als eine sehr elegante Messtechnik hat sich die diffusionsgewichtete NMR-Spektroskopie
erwiesen. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Diffusionskoeffizienten der Nanopartikel mitsamt
der organischen Hülle bestimmen. Durch Anwenden der Stokes-Einstein-Gleichung kann
daraus der hydrodynamische Durchmesser errechnet werden. Wie bereits erwähnt, steht
dieser Messwert in sehr gutem Einklang mit Messdaten der differentiellen Zentrifugalsedimentation und auch den angefertigten HR-TEM-Bildern. Aufgrund der zerstörungsfreien
Erfassung der Partikelgröße ist die diffusionsgewichtete Spektroskopie eine sehr wertvolle Messtechnik. Bei den Messungen mit der dynamische Lichtstreuung zeigte sich, dass
diese Methode für ultrakleine Nanopartikel eher ungeeignet ist, da schon geringe Verunreinigungen dazu führen, dass die entsprechenden Partikelsignale nicht mehr detektiert
werden. In den TEM-Bildern zeigt sich, dass die Partikel, obwohl sie so klein sind, eindeutig verzwillingt sind. Allerdings gibt es auch Ausnahmen, die einkristalline Partikel
zeigen. Jedoch besitzen diese keine definierte Morphologie.
Die Zusammengabe der Tetrachloridogoldsäure mit einem Thiol führt direkt zu einem Farbumschlag. Mit den aliphatischen Liganden werden dabei farblose Lösungen erhalten. In
den aromatischen Systemen, wo Ammoniak zugesetzt werden musste, um die Löslichkeit
des Liganden zu erhöhen, schlug die Farbe von hell-gelb nach orange-braun um. Dies könnte durch eine Bildung von Gold(III)-hydroxid erklärt werden, welches in Wasser ebenfalls
schlecht löslich ist. In den 1H-NMR-Spektren sieht man, dass das Edukt quantitativ umgesetzt wurde. Das Hauptprodukt ist mit Ausnahme der Mercaptoethansäure stets das
entsprechende Disulfid. Bei der Mercaptoethansäure erscheinen in dem entsprechenden
Spektrum mehr als ein scharfes Signal. Hinzu kommen in allen Spektren jeweils Signale,
die sehr breit sind und eine höhere chemische Verschiebung besitzen. Mehrheitlich stimmen diese Signale mit denen der Nanopartikel überein, weswegen von einer Bildung der
gleichen ausgegangen werden kann. Eine Bestätigung dessen liefert die Analyse des Gemisches mit der differentiellen Zentrifugalsedimentation. Hierbei stellte sich heraus, dass in
allen Proben Nanopartikel mit einem Durchmesser von ca. 2 nm vorhanden waren. Auffällig ist, dass bei Liganden, die eine schlechte Wasserlöslichkeit besitzen, eine erhöhte
Agglomeration beobachtet werden konnte. Die Menge an freigesetztem Chlorid kann mit
Hilfe von 35Cl-NMR-Spektren und einer Referenz aus Natriumchlorid bestimmt werden.
Die erhaltenen Werte waren in allen Proben ungefähr gleich. Es fiel jedoch auf, dass die
Werte größer waren als erwartet. Bei einem theoretischen Chlorid-Gehalt von 15 µmol wurden Werte von etwa 17 – 18 µmol gemessen. Daraus lässt sich schließen, dass Gold-Atome
oder -Ionen ohne ein gebundenes Chlorid-Ion vorliegen müssen. Dies wäre der Fall, wenn
das Gold zur elementaren Spezies reduziert wurde und sich Nanopartikel gebildet hätten. Damit sind alle erhaltenen Ergebnisse zu den Gemischen einstimmig und schlüssig.
147
Die Zugabe von Thiolen zu Tetrachloridogoldsäure führt direkt zur Bildung ultrakleiner
Nanopartikel, ohne dass ein weiteres Reduktionsmittel zugesetzt werden muss.
149
8 Summary
In this work, the well-established synthesis of ultra-small nanoparticles was transferred
to other systems. In the presence of aliphatic mercaptocarboxylic acids, the reduction of
gold by sodium borohydride led to good results. The resulting particles could be precipitated by adding hydrochloride acid and purified by centrifugation. No significant amount
of gold was lost during these operations. 1H-NMR spectroscopic studies led to peaks with
significantly higher chemical shifts due to the Knight-shift. This change in the chemical
shift was dependent on the distance to the nanoparticle surface (metallic core). The methylene protons near the surface experienced a significantly larger change in the chemical
shift than the protons next to the carboxyl group. These facts showed that the ligands
are vertically aligned. By measuring HSQC and HMBC spectra, 13C-NMR data were also
obtained. Due to the Knight-shift, these signals also showed considerable changes in the
chemical shift, depending on the distance to the surface of the nanoparticle. As shown by
the chemical shifts, the ligand on the particle surface did not chemically change, i.e. it is
still the same compound as before.
The syntheses of the gold nanoparticles with aromatic mercaptobenzoic acid derivatives
were also possible. Due to their poor solubility, the ligands needed to be dissolved in basic
water. The stability of the systems depended on the position of the thiol function. The
nanoparticles with the ortho-isomer were rather most unstable. When using the paramercaptobenzoic acid, the particles were more stable, but the byproduct could not be
removed completely. The byproduct was the corresponding disulfide formed by the oxidation of the thiol. Due to the high amounts of the disulfide, the signals of the nanoparticles
were overlaid in the NMR spectra. These impurities were partially be removed by extraction with toluene or diethyl ether. The resulting spectra showed signals that had a higher
chemical shift because of the Knight-shift. However, these signals had a large half width
and no couplings between these signals were observed. Due to these facts, no conclusion
about the nature ligands on the particles were possible. Due to the poor stability of those
nanoparticles, it was not possible to get more information about those systems.
The analysis of the particle size was carried out by different methods that very well agreed
with each other. The differential centrifugal sedimentation and the diffusion ordered spectroscopy led to diameters in the range of 1.7 to 4.4 nm. The dynamic light scattering
showed a monodisperse particle size distribution except for the smallest ligand and the
peptides. These ligands showed a tendency to agglomeration because of the interactions between the molecules. Dynamic light scattering was unsuitable for the measurement
of the size of such ultra-small nanoparticles because small amounts of impurities would
falsify the results. Diffusion ordered spectroscopy (DOSY) was a very valuable method
for the measurement of the particle size because it was nondestructive. By this method,
diffusion coefficients were measurable, and these values could be used to calculate the hydrodynamic diameter by the Stokes-Einstein-Equation. High-resolution TEM images of
150
8 Summary
two samples were in good agreement with these results. In these images, predominantly
twinned crystals were found. Some single crystals could be found, but they did not show
a special morphology.
When adding the thiol to a solution of chloroauric acid, a color change occurred. In case
of the aliphatic ligands, the resulting solutions were colorless. When using the aromatic
ligands the color changed to orange-brownish. As before, ammonia had to be added due
to the poor solubility of the aromatic systems to increase the pH. The resulting 1H-NMR
spectra showed that the ligand was fully consumed. The main product was the corresponding disulfide. Several sharp NMR signals were found in case of the mercaptoacetic acid
that could not be correlated. Broad signals were detected as well. These signals had a higher chemical shift and appeared to be in agreement with the signals of the nanoparticles
detected before. When this mixture was analyzed by differential centrifugal sedimentation, nanoparticles were detected with a diameter of about 2 nm. The poor solubility of
some ligands led to a higher rate of agglomeration. 35Cl-NMR spectra were used to analyze the amount of chloride released during the reaction. For this, a standard solution
of sodium chloride was measured first. The resulting values for all samples were almost
identical and varied between 17 and 18 µmol. The theoretically necessary amount of chloride was 15 µmol because 5 µmolchloroauric acid were used. If more chloride was found,
there must be gold containing species without bound chlorine. This could be explained
by the reduction of the gold to the oxidation state zero. In this case it would be possible
for nanoparticles to be formed. All obtained results were consistent and confirmed the
formation of ultra-small nanoparticles by adding a thiol to the solution of chloroauric
acid. No further reducing agent was needed.
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163
10 Anhang
0,66
10.1 Ergänzende Spektren
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
33,96
20
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogoldsäure mit MPS.
0,19
Abb. 10.1:
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
34,66
20
Abb. 10.2:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogold-
säure mit MHS.
164
0,19
10 Anhang
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
24,72
20
Abb. 10.3:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogold-
0,19
säure mit MUS.
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
34,39
20
Abb. 10.4:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogoldsäure mit o-MBS.
165
0,19
10.1 Ergänzende Spektren
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
34,01
20
Abb. 10.5:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogold-
0,19
säure mit m-MBS.
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
32,91
20
Abb. 10.6:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogoldsäure mit p-MBS.
166
0,19
10 Anhang
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
35,00
20
Abb. 10.7:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogold-
1,18
säure mit p-MMBS.
15
10
5
0
−5
−10
−15
−20 ppm
34,42
20
Abb. 10.8:
35
Cl-NMR-Spektrum (300 MHz) nach der Reaktion von Tetrachloridogoldsäure mit CG.
167
7,76
7,74
7,73
7,70
7,42
7,40
7,37
7,33
7,31
7,28
10.1 Ergänzende Spektren
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
ppm
9,0
8,5
8,0
7,53
7,50
7,28
7,25
7,22
7,83
Abb. 10.9: 1H-NMR-Spektrum von 2,2’-Dithiodibenzoesäure (300 MHz).
7,5
7,0
6,5
ppm
7,87
7,84
7,68
7,65
Abb. 10.10: 1H-NMR-Spektrum von 3,3’-Dithiodibenzoesäure (300 MHz).
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
ppm
Abb. 10.11: 1H-NMR-Spektrum von 4,4’-Dithiodibenzoesäure (300 MHz).
168
10 Anhang
10.2 Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit mit dem Titel
„NMR-spektroskopische Untersuchungen von ultrakleinen Gold-Nanoclustern und GoldThiol-Gemischen“
selbst verfasst habe und keine außer der angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet
wurden.
Zudem erkläre ich, diese Arbeit in dieser oder ähnlicher Form an keiner anderen Fakultät
eingereicht zu haben.
Essen, den 3. Januar 2017
Benjamin Schütze
10.3 Lebenslauf
169
10.3 Lebenslauf
Der Lebenslauf ist in der Online-Version aus Gründen des Datenschutzes nicht enthalten.
170
10 Anhang
10.4 Publikationsliste
10.4.1 Publikationen in wissenschaftlich referierten Fachzeitschriften
B. Schütze, C. Mayer, K. Loza, M. Gocyla, M. Heggen, M. Epple, „The conjugation
of thiol-terminated molecules to ultrasmall 2 nm-gold nanoparticles leads to remarkably
complex 1H-NMR spectra“, J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2179-2189.
10.4.2 Wissenschaftliche Posterbeiträge auf Fachtagungen
Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien 2013, 26.09.13-28.09.13, Erlangen, B. Schütze, M. Epple, „Funktionalisierung von Gold-Nanopartikeln mit Biomolekülen“
Abschlusskolloquium des Schwerpunktprogramms 1313, 14.03.-16.03.14, Fulda, B. Schütze, J. Helmlinger, K. Loza, S. Ristig, A. Rostek, M. Epple, „Possibilities in Synthesis and
Functionalization of Metallic and Bimetallic Nanoparticles: Gold and Silver-Gold Alloyed
Nanoparticles“
CRC 1093 International Symposium, 29.09.-30.09.15, Essen, B. Schütze, C. Mayer, T.
Schrader, M. Epple, „Ultra small gold nanoparticles for interaction with proteins“
10.5 Danksagung
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10.5 Danksagung
Zum Abschluss meiner Arbeit möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die es mir
ermöglicht haben, diese Arbeit anzufertigen, und mir zu einer wunderbaren Zeit verholfen
haben.
Als erstes gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. Matthias Epple für die Möglichkeit, meine
Promotion in seinem Arbeitskreis durchführen zu können.
Herrn Prof. Dr. Mayer danke ich für die Übernahme des Koreferats und die Zusammenarbeit bei den Messungen der zahlreichen NMR-Spektren.
Frau Carola Fischer, Frau Sabine Kiefer und Frau Sabine Bollmann sei für ihren zahlreichen Hilfen bei technischen Problemen sowie größeren und kleineren bürokratischen
Hindernissen gedankt.
Frau Ursula Giebel danke ich für die Hilfestellungen bei den NMR-Messungen am arbeitskreiseigenen NMR-Spektrometer.
Herrn Dipl.-Ing. Manfred Zähres danke ich sehr für die Aufnahmen der DOSY-Spektren
am 500 MHz-NMR-Spektrometer, den Hilfestellungen bei den Auswertungen der selbigen
und den unzähligen Lehrstunden über NMR-Spektroskopie.
Frau Beate Römer danke ich für die Verfügbarkeit des zweiten NMR-Spektrometers zum
selbstständigen Messen, sowie für die Hilfen bei ausgefallenen Messungen von beispielsweise 35Cl-NMR-Spektren oder den Versuchen 33S-NMR-Spektren aufzunehmen.
Den Herren Dipl.-Ing. Heinz Bandmann, Dr. Thorsten Schaller und Felix Niemeyer danke
ich sehr für die Aufnahmen der NMR-Spektren am 600 MHz-NMR-Spektrometer.
Frau Veronika Hiltenkamp, Frau Kerstin Brauner und Herrn Robin Meya danke ich für
die zahllosen Bestimmungen der Konzentrationen von Gold.
Für die hochauflösenden Aufnahmen am TEM in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich danke ich Frau Dr. Kateryna Loza.
Herrn Dipl.-Ing. Werner Karow sei sehr für die Messungen am Massenspektrometer gedankt.
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10 Anhang
Besonders Herrn Dr. Simon Ristig danke ich sehr für die Anleitungen, Erklärungen und
Einarbeitungen zu Beginn meiner Arbeit, sowie den zahllosen Gesprächen und Diskussionen, die die Pausen interessanter und amüsanter gestaltet haben.
Weiterer besonders großer Dank geht an Dominik Naglav, Briac Tobey und Dr. Jens
Helmlinger, die mit mir zusammen hier in Essen studieren oder studiert haben, und mit
denen ich eine wunderbare, unterhaltsame und spannende Zeit hier hatte, in der man sich
immer wieder mal gegenseitig unter die Arme gegriffen hat.
Daniel Krech danke ich besonders im Allgemeinen für eine tolle Studienzeit und unzählige
Euro für erfrischende und wohltuende Biere nach dem einen oder anderen anstrengenden
Arbeitstag. Im speziellen danke ich ihm für die Übernahme des Korrektur-Lesens der hier
vorliegenden Arbeit.
Des Weiteren danke ich allen weiteren, ehemaligen und aktuellen weiteren Mitarbeitern
des Arbeitskreises Epple für die sehr angenehme Arbeitsatmosphäre.
Natürlich danke ich auch über alle Maßen meinen Eltern, ohne deren finanzielle und
seelische Unterstützung ich mein Studium nicht hätte so durchziehen können.
Zu guter Letzt danke ich meiner Frau Larissa, die mir über die Jahre ein guter Gegenpol
zum Arbeitsstress war.